Podsumowanie:
Aktualne prace projektowe oraz ich postęp wskazują na:
-planowe wyłonienie wykonawcy robót
-zrealizowanie zadania w obecnym okresie programowania
-zapewnienie bezpieczeństwa powodziowego do 2015 roku
Załącznik nr 2
Modelowanie gospodarki
wodnej na zbiornikach
retencyjnych na przykładzie
kaskady Nysy Klodzkiej / dr inż. Ryszard Kosierb /
Instytut Meteorologii i
Gospodarki Wodnej Państwowy
Instytut Badawczy / Warszawa 2017
- cz. II
MODELOWANIE GOSPODARKI WODNEJ
NA ZBIORNIKACH RETENCYJNYCH
NA PRZYKŁADZIE KASKADY
NYSY KŁODZKIEJ
Ryszard KOSIERB
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
Państwowy Instytut Badawczy
Warszawa 2017
MONOGRAFIE
INSTYTUTU METEOROLOGII I GOSPODARKI WODNEJ
PAŃSTWOWEGO INSTYTUTU BADAWCZEGO
Autor: dr inż. Ryszard Kosierb IMGW-PIB
ul. Podleśna 61 01-673 Warszawa
e-mail: ryszard.kosierb@imgw.pl
Recenzent:
prof. dr hab. inż. Jerzy Sobota
Opracowanie redakcyjne: Rafał Stepnowski
Opracowanie graficzne i techniczne: Rafał Stepnowski
Komitet Redakcyjny Wydawnictw IMGW-PIB
prof. dr hab. Zbigniew Ustrnul − przewodniczący; dr hab. inż. Piotr Kowalczak; dr inż. Przemysław Łagodzki; prof. dr hab. inż. Maciej Maciejewski; dr Leszek Ośródka; dr hab. inż. Bogdan Ozga-Zieliński; prof. dr hab. inż. Kazimierz Różdżyński; mgr inż. Edmund Sieinski; mgr Rafał Stepnowski; dr hab. inż. Tamara Tokarczyk, prof. nadzw.; dr hab. inż. Tomasz Walczykiewicz, prof. nadzw.; dr hab. inż. Tamara Zalewska, prof. nadzw.; dr Michał Ziemiański
ISBN: 978-83-64979-21-7
Adres redakcji:
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej − Państwowy Instytut Badawczy 01-673 Warszawa, ul. Podleśna 61, tel. 22 56 94 510
Opracowanie graficzne okładki Rafał Stepnowski (zdjęcie Blok zrzutowy zbiornika Nysa –widok od strony dolnej, fot . R. Kosierb)
Zawsze kiedy masz związek z wodą, przede wszystkim oprzyj się na doświadczeniu i potem decyduj
Leonardo da Vinci
2. DANE I METODY BADAŃ
2.1. Charakterystyka fizycznogeograficzna zlewni Nysy Kłodzkiej .......................... 11
2.2. Dane klimatyczne ................................................................................................
2.2.1. Wskaźnikowa charakterystyka opadów
2.2.2. Maksymalne sumy opadów
2.3. Dane hydrologiczne ............................................................................................. 27
2.3.1. Zagrożenie powodziowe – potencjał powodziowy ....................................
2.4. Wezbrania historyczne .........................................................................................
2.4.1. Zmienność czasowa i przestrzenna opadów w czasie wezbrań
2.4.2. Wydzielenie odpływu podziemnego z odpływu całkowitego
2.4.3. Cechy morfologiczne
2.4.4. Odpływ powierzchniowy – zmienność czasowa i przestrzenna
2.4.5. Fale hipotetyczne ....................................................................................... 53
3. MODELE PROCESÓW HYDROLOGICZNYCH I HYDRODYNAMICZNYCH
DLA ZLEWNI NYSY KŁODZKIEJ ............................................................................ 57
3.1. Modele Saint Venanta
3.2. Modele
3.2.1. Opis modelu MIKE 11 NAM ....................................................................
3.3. Transformacja opadu w odpływ z wykorzystaniem środowiska obliczeniowego modelem HYDROPATH 69
3.4. Modele hydrologiczno-gospodarcze 71
3.5. Model kaskady zbiorników na Nysie Kłodzkiej .................................................. 72
4. GOSPODARKA WODNA KASKADY ZBIORNIKÓW NYSY KŁODZKIEJ
PODCZAS WEZBRAŃ POWODZIOWYCH ............................................................. 77
4.1. Czynniki wpływające bezpośrednio na gospodarkę wodną ................................ 79
4.1.1. Rezerwa powodziowa stała i forsowana 80
4.1.2. Prognozowanie dopływu do kaskady zbiorników ..................................... 83
4.1.3. Hydraulika urządzeń zrzutowych zapór zbiorników ................................. 86
4.1.4. Przepływ dozwolony 87
4.2. Czynniki wpływające pośrednio na gospodarkę wodną ..................................... 90
4.2.1. Transport rumowiska wleczonego i unoszonego ....................................... 90
4.2.2. Zasilanie Odrzańskiej Drogi Wodnej 99
4.2.3. Zachowanie niezbędnej równowagi środowiska dla życia ryb i ptactwa .. 103
5. STEROWANIE PRACĄ ZBIORNIKÓW NA NYSIE KŁODZKIEJ PODCZAS
WEZBRAŃ HISTORYCZNYCH Z LAT 1977, 1985 I 1997 ...................................... 109
6. ZASADY STEROWANIA SYSTEMEM ZBIORNIKÓW OTMUCHÓW I NYSA
PODCZAS WEZBRAŃ POWODZIOWYCH ............................................................ 117
6.1. Zasady sterowania systemem zbiorników Otmuchów i Nysa podczas przepływów maksymalnych o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10% ................... 118
6.2. Zasady sterowania systemem zbiorników Otmuchów i Nysa podczas przepływów maksymalnych o prawdopodobieństwie przewyższenia p < 1% ........................ 119
6.3. Zasady sterowania na zbiornikach Topola i Kozielno podczas wezbrań powodziowych ..................................................................................................... 122
6.4. Weryfikacja opracowanych zasad sterowania kaskadą zbiorników Nysy Kłodzkiej na podstawie wezbrań z 2001, 2009 i 2010 roku ................................................ 124
7. KONCEPCJA INTEGRALNEGO SYMULACYJNEGO MODELU HYDROLOGICZNO-GOSPODARCZEGO NYSY KŁODZKIEJ 133
7.1. Wyniki obliczeń symulacyjnych modelem MIKE 11 NAM ............................... 137
7.2. Wyniki obliczeń symulacyjnych modelem MIKE 21 HD ................................... 139
7.3. Wyniki obliczeń symulacyjnych modelem HYDROPATH ................................. 143
7.4. Wyniki obliczeń symulacyjnych transformacji wezbrań historycznych przez kaskadę zbiorników Otmuchów-Nysa modelem ModAdmin .............................. 146
8. PODSUMOWANIE I WNIOSKI ................................................................................. 157
Bibliografia 161
Załącznik I. Podstawowe charakterystyki fal i opadów ..................................................... 167
Załącznik II. Charakterystyka obiektów hydrotechnicznych kaskady Nysy Kłodzkiej ..... 177
1. WPROWADZENIE
Szczególnie interesujące z punktu widzenia gospodarki wodnej są osiągnięcia hydrologii z ostatnich lat w zakresie hydrologicznych i hydrologiczno-gospodarczych modeli zlewni. Modele hydrologiczno-gospodarcze opisują nie tylko procesy związane z naturalnym obiegiem wody od opadu do odpływu w zlewni, lecz również różnorodne formy działalności gospodarczej i środowiskowej powodujące zmianę tych procesów [Kindler i in. 1979]. Modele te są niezwykle użytecznym narzędziem projektowym dla obiektów gospodarki wodnej, jak również do badań jednorodności materiałów obserwacyjnych i modelowania rzeczywistych warunków odpływu wód będących wynikiem działalności gospodarczej człowieka i zmian klimatycznych.
Wybór odpowiedniej struktury modelu zależy przede wszystkim od następujących czynników:
− przeznaczenia modelu,
− stopnia poznania wewnętrznej struktury i własności modelowanego obiektu (zlewni zbiornikowej),
− możliwości identyfikowania parametrów modelu.
Należy jednak pamiętać, że zarówno struktura modelu, jak i postać funkcji operatorów muszą w ostatecznym efekcie wynikać z możliwości identyfikacji problemu.
Większość dotychczas opracowanych globalnych modeli zlewni jest identyfikowana na podstawie zgodności rzeczywistego hydrogramu przepływu z obliczonym. Podejście metodyczne prezentowane w niniejszej monografii polega na podziale zlewni Nysy Kłodzkiej na obszary mające istotne znaczenie dla formowania się wezbrań powodziowych. W odniesieniu do każdego wydzielonego obszaru można stosować dostępne modele. Są to z reguły następujące modele:
− typu opad-odpływ;
− hydrodynamiczne (mogą to być dowolne modele, które zapewnią uzyskanie wymaganych rezultatów, to znaczy prognozę hydrogramu dopływu do istniejących zbiorników);
− autorski model transformacji fali przez zbiornik. W wyniku połączenia tych modeli powstaje model hydrologiczno-gospodarczy Nysy Kłodzkiej.
Ocena ryzyka powodziowego i zarządzania nim w zlewniach, na terenie których znajdują się zbiorniki retencyjne, stanowią istotny element modeli hydrologiczno-gospodarczych z punktu widzenia potrzeb konkretnych użytkowników.
Rzeczywista wewnętrzna struktura każdej zlewni jest bardzo złożona i chociaż zaproponowane modele są zawsze uproszczeniem systemu rzeczywistego to, aby to uproszczenie było poprawne i zapewniało zgodne z oryginałem działanie modelu, oryginał musi być dobrze poznany. Tylko wówczas wszystkie uproszczenia, polegające na pomijaniu niektórych elementów systemu, będą mogły być dokonane właściwie pod kątem uzyskania poprawnego działania symulowanego oryginału.
Współczesne podejście do problematyki gospodarki wodnej wymaga działań zgodnych z Ramową Dyrektywą Wodną (RDW), w ramach której uwzględnia się zasoby wodne zarówno jako część systemu wodno-gospodarczego, jak i jako czynnik tworzący siedliska przyrodnicze, oraz z Dyrektywą Powodziową, która zobowiązuje do kompleksowego podejścia do oceny społeczno-gospodarczych skutków powodzi. Wymienione działania prezentowane są w niniejszej pracy.
Zbiorniki Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa spełniają w różnym zakresie następujące podstawowe funkcje:
− redukcję przepływu maksymalnego w czasie wezbrań powodziowych;
− podwyższenie przepływu niskiego w okresach bezopadowych;
− zachowanie niezbędnej równowagi dla życia ryb i ptactwa (Dyrektywa Ptasia);
− pokrycie zapotrzebowania na wodę dla celów gospodarczych.
Niekorzystne zmiany w zasięgu oddziaływania zbiorników to:
− zanik niektórych elementów flory i fauny, spowodowany częściowym zalaniem doliny;
− podtopienie terenów przyległych do zbiornika, utrudniające ich rolnicze użytkowanie;
− osadzanie się grubego rumowiska w części cofkowej zbiorników, powodujące zalewanie niższych części doliny w cofce i podniesienie się poziomów przepływów wezbraniowych;
− zmiany morfologiczne w obrębie czaszy zbiorników, wywołane przez procesy abrazyjne i uaktywnienie się osuwisk;
− osadzanie się drobnoziarnistego rumowiska rzecznego, powodującego zamulenie zbiornika i zmniejszenie jego pojemności użytkowej;
− przemieszczanie się rumowiska w obrębie dna zbiornika (mielizny, odsypiska);
− intensyfikacja procesów erozji koryta rzeki poniżej zapory.
Ogólnie można stwierdzić, że gospodarka wodna na zbiornikach, prowadzona zgodnie z uznanymi obecnie zasadami optymalnego wykorzystania zasobów wodnych, stanowi jeden z podstawowych i najbardziej efektywnych środków utrzymania, ochrony i kształtowania środowiska przyrodniczego w rejonie zbiorników.
1.1. Cel i zakres opracowania
Celem prezentowanej monografii jest przedstawienie możliwości zbudowania modelu hydrologiczno-gospodarczego poprzez wdrożenie stosowanych w IMGW-PIB modeli hydrologicznych i opracowanego modelu transformacji fali przez kaskadę zbiorników na Nysie Kłodzkiej. Doświadczenie autora w wykorzystywaniu istniejących modeli oraz w bezpośrednim wieloletnim udziale w zarządzaniu gospodarką wodną wodną na zbiornikach Nysa, Otmuchów, Kozielno i Topola w czasie wezbrań powodziowych, pozwoliło na skonstruowanie diagramu integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej. Podstawą tego diagramu jest opracowanie optymalnych zasad sterowania systemem zbiorników, zapewniających bezpieczeństwo i niezawodność. Tak postawiony problem jest realizowany według następującego algorytmu:
− charakterystyka fizycznogeograficzna zlewni Nysy Kłodzkiej;
− maksymalne historyczne zdarzenia meteorologiczne i hydrologiczne;
− charakterystyka obiektów hydrotechnicznych kaskady Nysy Kłodzkiej;
− gospodarka wodna na badanych zbiornikach retencyjnych podczas wezbrań historycznych;
− opracowanie ogólnych zasad sterowania kaskadą badanych zbiorników retencyjnych;
− matematyczne modelowanie procesów hydrologicznych i procesów typu opad-odpływ;
− testowanie modelu transformacji fal powodziowych na zbiornikach Nysa, Otmuchów, Topola i Kozielno;
− opracowanie ogólnej struktury modelu hydrologiczno-gospodarczego kaskady zbiorników Nysy Kłodzkiej;
− testowanie wybranych składowych modelu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej.
Badany system zbiorników, ich sterowalność, a także budowany model matematyczny są bez wątpienia układami niezwykle złożonymi, funkcjonującymi w czasie rzeczywistym w krytycznych warunkach brzegowych. Cechują się one losowym charakterem zagrożeń i znaczną dynamiką procesów i dlatego celowym jest łączenie we wspólny system różnych modeli opisujących transformacje fali przez zbiornik, transformację fali w sieci koryt rzecznych oraz proces opad-odpływ. Identyfikację i weryfikację tak zbudowanego systemu przeprowadza się na podstawie obliczeń symulacyjnych [Bobiński i in. 1978]. Symulacyjna metoda badań systemów niesie też pewne wady i mankamenty [Ficoń 2013]. Po pierwsze, nawet najbardziej dokładny model matematyczny procesu odpowiada rzeczywistości tylko z pewnym przybliżeniem, co rzutuje na wynik analizy. Po drugie, otrzymane
wyniki badań symulacyjnych wymagają ich precyzyjnej interpretacji i weryfikacji pod kątem przyjętych założeń modelowych. Jednak zalety tej metody zdecydowanie dominują nad trudnościami związanymi z rozpoznaniem systemu rzeczywistego i jego odwzorowaniem na modelu – dlatego symulacja komputerowa jest dziś najbardziej efektywną metodą badań złożonych systemów dynamicznych.
Charakterystyki obiektów hydrotechnicznych (zbiorników Nysa, Otmuchów, Kozielno i Topola) przedstawiono w Załączniku II.
2. DANE I METODY BADAŃ
Podstawowymi danymi wykorzystywanymi w monografii są:
− ekstremalne zdarzenia opadowe z 30-lecia 1971-2000;
− hydrogramy maksymalnych letnich wezbrań i odpowiadające im hietogramy dla trzynastu wezbrań z lat 1964-2010;
− gospodarka wodna na zbiornikach retencyjnych kotliny Nysy Kłodzkiej w okresie wezbrań w latach 1977-2010;
− model ModAdmin transformacji fali przez zbiorniki Otmuchów i Nysa;
− hydrodynamiczne modele MIKE 11 HD, MIKE 21 HD, MIKE 11 NAM;
− model HYDROPATH.
Dane klimatyczne i hydrologiczne pochodzą z bazy CBDH (Centralna Baza Danych Historycznych) i SH (System Hydrologii), natomiast modele zawarte w pakiecie MIKE 11 2008 eksploatowane są w Biurze Prognoz Hydrologicznych Oddziału IMGW-PIB we Wrocławiu. Model HYDROPOTH został opracowany przez Centrum Modelowania Powodzi i Suszy IMGW-PIB we Wrocławiu. Dane odnośnie gospodarki wodnej na zbiornikach retencyjnych kotliny Nysy Kłodzkiej oraz podstawowe charakterystyki zbiorników Nysa, Otmuchów, Kozielno i Topola otrzymano z RZGW we Wrocławiu.
2.1. Charakterystyka fizycznogeograficzna zlewni Nysy Kłodzkiej
Zlewnia Nysy Kłodzkiej obejmuje następujące jednostki fizycznogeograficzne [Kondracki 2011]: Sudety, Przedgórze Sudeckie i Nizinę Śląską. Według regionalizacji klimatycznej Romera w tych jednostkach wydziela się 3 regiony klimatyczne:
− klimat górski i podgórski (Sudety), który charakteryzują duże kontrasty klimatów lokalnych, znaczne ilości opadów i niskie temperatury powietrza;
− klimat zaciszy górskich (kotliny śródgórskie, np. Kotlina Kłodzka), charakteryzujący się wielkimi kontrastami temperatury dnia i nocy, dużym zróżnicowaniem przychodu energii słonecznej i prędkości wiatru;
− klimat podgórskich nizin i kotlin (Przedgórze Sudeckie), o mniejszych opadach, lecz na ogół korzystnych dla rolnictwa.
Zlewnia Nysy Kłodzkiej (rysunek 1) należy w całości do zlewiska Morza Bałtyckiego. Nysa Kłodzka jest lewostronnym dopływem Odry, do której uchodzi w km 181,3. Bierze swój początek na stokach Puchacza na wysokości 975 m n.p.m. Średni spadek zlewni waha się od 7,8% w górnym biegu do 1,2% w dolnym biegu rzeki. Głównymi dopływami są: Bystrzyca, Bystrzyca Dusznicka, Ścinawka, Budzówka, Cielnica, Stara Struga, Wilczka, Biała Lądecka, Biała Głuchołaska i Ścinawa Niemodlińska. Ich źródła położone są na wysokości od 720 m n.p.m. (Ścinawka) do 1220 m n.p.m. (Wilczka). Poniżej Barda znajduje się kaskada zbiorników retencyjnych: Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa. Zachodnia część zlewni w górnym biegu Nysy Kłodzkiej położona jest na obszarze obejmującym Góry Bystrzyckie, Góry Stołowe, Góry Bardzkie, Wzgórza Ścinawskie oraz Włodzickie.
Dolina Ścinawki, Obniżenie Noworudzkie oraz Kotlina Kłodzka wchodzą w skład Sudetów Środkowych. Wschodnia część zlewni w górnym biegu rzeki obejmuje Masyw Śnieżnika i Góry Złote o strukturze gór średnich, które należą do Sudetów Wschodnich. Przeważają tu plejstoceńskie gliny na wychodniach metamorficznych. W środkowym biegu rzeki zlewnia obejmuje Obniżenie Otmuchowskie, Przedgórze Paczkowskie i Wzgórza Niemczańsko-Strzelińskie wchodzące w skład Przedgórza Sudeckiego, gdzie przeważają pokrywy lessowate oraz wysoczyzny morenowe. Na Wzgórzach Niemczańsko-Strzelińskich i na Przedgórzu Paczkowskim dominują plejstoceńskie piaski i żwiry. Dolna część zlewni położona jest na obszarze Doliny Nysy Kłodzkiej oraz Równiny Niemodlińskiej. Ta część zlewni wchodzi w skład Niziny Śląskiej. Przeważają tam holoceńskie piaski, żwiry i mady rzeczne oraz plejstoceńskie gliny zwałowe.
Rys. 1. Zlewnia Nysy Kłodzkiej
Poziom pierwszego zwierciadła wód gruntowych występuje na głębokości od 0 do 2 m od powierzchni terenu w Dolinie Nysy Kłodzkiej, na głębokości od 2 do 5 m w Kotlinie Kłodzkiej i na Przedgórzu Sudeckim, od 2 do 10 m na Wzgórzach Strzelińskich, natomiast w części górskiej na głębokości większej od 20 m w strefie wód szczelinowych.
Procentowy udział powierzchni zalegania pierwszego poziomu zwierciadła wód podziemnych w zlewniach badanych cieków przedstawiono w tabeli 1 [Tokarczyk 2001].
Obszarem powodziogennym w zlewni Nysy Kłodzkiej jest głównie Kotlina Kłodzka, która zajmuje centralną jej część i tworzy największą śródgórską kotlinę w Sudetach [Olearczyk, Tokarczyk 2002]. Dzięki zamknięciu przez góry jest najbardziej zwartą krainą geograficzną Dolnego Śląska, o wyraźnych granicach naturalnych i swoistym krajobrazie. Tworzy ona charakterystyczny wielobok, którego granicami są od południowego zachodu Góry Orlickie (800-1000 m n.p.m.) i Bystrzyckie (800-1000 m n.p.m.), od zachodu Góry Stołowe (890-920 m n.p.m.), od południowego wschodu Masyw Śnieżnika (1100-1200 m n.p.m.) i Góry Bialskie (9001000 m n.p.m.), od wschodu Góry Złote (800-1000 m n.p.m.), a od północy Góry Sowie (900-950 m n.p.m.) i Góry Bardzkie (750 m n.p.m.). Powierzchnia tego obszaru do Przełęczy Srebrnej, na styku gór Sowich i Bardzkich, wynosi ponad 1 700 km2 .
Tabela 1. Procentowy udział powierzchni zalegania pierwszego poziomu zwierciadła wód podziemnych w zlewniach cząstkowych Nysy Kłodzkiej
Rzeka Wodowskaz
Kłodzka
Nysa Kłodzka
Potok Wilkanów
Biała Lądecka
Zdrój
Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny
Ścinawka Tłumaczów - -Gorzuchów
Biała Głuchołaska Głuchołazy 40%
Dzisiejsza Nysa Kłodzka na obszarze kotliny ma liczne dopływy tworzące wachlarzowaty układ rzeczny. Górny bieg Nysy Kłodzkiej stanowi rów tektoniczny wypełniony piaskowcami i mało odpornymi marglami kredowymi. Biała Lądecka poniżej Stronia Śląskiego płynie obniżeniem z terasami plejstoceńskimi wypełnionymi osadami czwartorzędowymi. W okolicy Trzebieszowic występują moreny denne będące śladem po lodowcu. Dolina Białej Lądeckiej ma w dolnym biegu bardzo złożoną budowę geologiczną. Występują tu wapienie krystaliczne, zlepieńce, łupki oraz piaskowce. Bystrzyca Dusznicka płynie w obniżeniu tektonicznym wysłanym miękkimi skałami osadowymi. Źródła tych rzek i potoków, z wyjątkiem Ścinawki, znajdują się w górach Ziemi Kłodzkiej. Najzasobniejszy w wodę jest Masyw Śnieżnika, natomiast Góry Stołowe dają początek niewielkiej ilości potoków zasilających Nysę Kłodzką.
Tak zróżnicowana budowa geologiczna tego regionu jest wynikiem dużej aktywności zdarzeń w kolejnych epokach dziejów Ziemi. Występowały tu na przemian zalewy morskie i okresy lądowe, zastoje i ruchy skorupy ziemskiej, podczas których wypiętrzały się łańcuchy górskie, podlegające następnie degradacji, stając się aktualną Kotliną Kłodzką.
Współczesny układ sieci rzecznej powoduje, że poziom wód w Nysie Kłodzkiej z reguły reaguje bardzo szybko na odpływ z terenów górskich.
W wyniku połączonego oddziaływania klimatu i warunków geologicznych na topografię obszaru, ukształtowały się zlewnie charakteryzujące się wielką liczbą czynników, które w różnym stopniu wpływają na przebieg procesów hydrologicznych. Są to głównie czynniki opisujące geometrię, morfometrię i rzeźbę powierzchni oraz hydrografię zlewni:
− geometria zlewni opisana powierzchnią A (km2), długością Lmax (km), średnią szerokością Bz (km), obwodem zlewni O (km), wskaźnikiem formy CF = A/Lmax (km) i wskaźnikiem kolistości CK = A/O (km);
− morfometria i rzeźba powierzchni zlewni opisana wysokością nad poziom morza – maksymalną Hmax i minimalną Hmin, deniwelacją ΔH = Hmax – Hmin oraz spadkiem zlewni Izl;
− sieć hydrograficzna opisana wskaźnikiem gęstości sieci rzecznej G, wskaźnikiem jeziorności Wj oraz wskaźnikiem zalesienia Al (przy czym wskaźniki te odniesione są do powierzchni zlewni).
Wartości poszczególnych parametrów przedstawiono w tabeli 2. Świadczą one o dużej różnorodności wydzielonych zlewni cząstkowych.
Tabela 2. Parametry fizyczno-geograficzne wybranych zlewni Nysy Kłodzkiej [Tokarczyk 2011]
Parametr
Gęstość sieci rzecznej G (km/km 2 )
zalesienia
2.2. Dane klimatyczne
Opady atmosferyczne w zlewni Nysy Kłodzkiej charakteryzują się dużym zróżnicowaniem, co związane jest głównie z takimi czynnikami, jak wysokość bezwzględna, rzeźba terenu oraz ekspozycja zboczy. Średnia roczna suma opadów w 30-leciu 1971-2000 wynosiła od 560 mm w części nizinnej zlewni do ponad 1200 mm w Górach Orlickich (Zieleniec) oraz w Masywie Śnieżnika. Średnie roczne sumy opadów (rysunek 2) rosną wraz z wysokością bezwzględną. Miarą tego przyrostu jest pionowy gradient opadowy, który w przypadku sum rocznych wynosi ok. 90 mm na 100 m wysokości.
Największa intensywność opadów związana jest z układami niskiego ciśnienia, które przemieszczają się nad Europę Środkową z południa (z rejonu Morza Śródziemnego lub Niziny Padańskiej) tak zwanym szlakiem Vb (van Bebbera) lub gdy nad Polskę znad Oceanu Atlantyckiego przemieszcza się zatoka niżowa związana z chłodnym frontem atmosferycznym.
Najwięcej opadów otrzymują pasma gór Orlickich, Bystrzyckich, Stołowych, Masywu Śnieżnika, Bielskich, Złotych, Sowich, Bardzkich, a szczególnie ich zbocza o korzystnej ekspozycji względem przeważających kierunków napływu mas powietrza przynoszących opady. Zbocza Masywu Śnieżnika eksponowane na wiatry zachodnie i północno-zachodnie otrzymują najwięcej opadów w całym badanym obszarze Nysy Kłodzkiej. Nieco mniejsze opady występują w zlewni Białej Lądeckiej. Natomiast północno-wschodnie zbocza Gór Bystrzyckich, znajdujące się
Rys. 2. Rozkład przestrzenny średniej z wielolecia 1971-2000 sumy rocznej opadów w zlewni Nysy Kłodzkiej
w cieniu opadowym, otrzymują wyraźnie mniej opadów. Najniższe opady notowane są w okolicach Kłodzka. Obserwuje się przy tym duże różnice między rocznymi i miesięcznymi sumami opadów w poszczególnych latach. Sumy roczne mogą być nawet o 40-50% większe lub mniejsze od średniej. Jeszcze większym zróżnicowaniem charakteryzują się sumy miesięczne opadów, które mogą kilkakrotnie przekraczać średnią wieloletnią sumę opadów dla danego miesiąca. W lipcu 1997 roku opady miesięczne na stacjach Międzygórze (677 mm) i Lądek Zdrój (570 mm) stanowiły odpowiednio 441% i 430% normy miesięcznej dla lipca wyznaczonej na podstawie 40-letnich obserwacji opadów. Udział opadów letnich (od czerwca do sierpnia) stanowi około 40% sumy rocznej. Najwyższe sumy dobowe opadów występują najczęściej w miesiącach letnich (czerwiec-sierpień). Absolutne maksimum dobowe opadów w zlewni Nysy Kłodzkiej, wynoszące 200,1 mm, odnotowano na stacji opadowej w Międzygórzu dnia 6 lipca 1997 roku. Identyfikacja ekstremalnych zdarzeń opadowych, szczególnie sum opadu średniego w zlewniach (tabela 3), stanowi istotny element w ocenie zagrożenia powodziowego i jego potencjalnych skutków.
IMGW-PIB prowadzi w zlewni Nysy Kłodzkiej standardowe pomiary meteorologiczne na czterdziestu stacjach, w tym jednej synoptycznej (I rzędu), dziewięciu stacjach klimatologicznych oraz trzydziestu stacjach opadowych.
Największe sumy miesięczne opadów występują w lipcu. W obszarze wyżej położonych zboczy Gór Orlickich (Zieleniec, w mniejszym stopniu Słoszów) występuje wyraźne wtórne maksimum w grudniu. Minimum opadowe przypada zwykle w lutym lub styczniu (rysunek 3). Udział opadów letnich (od czerwca do sierpnia) stanowi około 40% sumy rocznej.
Dla oceny zagrożenia powodziowego wybrano stacje opadowe, dla których dysponuje się nieprzerwanymi, długimi ciągiami obserwacyjnymi (tabela 4).
Charakterystyka ekstremalnych zdarzeń opadowych stanowi ważny element w ocenie zagrożenia powodziowego i jego potencjalnych skutków. Stopień zagro-
Rys. 3. Średnie miesięczne sumy opadów i średnia temperatura powietrza w roku kalendarzowym (wielolecie 1971-2000)
Tabela 3. Sumy opadu średniego w zlewniach cząstkowych Nysy Kłodzkiej (mm), dla wybranych 9 zdarzeń opadowych w wieloleciu 1966-2010
Rok i okres wystąpienia opadu
Rzeka Wodowskaz
Lądecka
Biała Głuchołaska
Biała Głuchołaska
żenia powodziowego zależy od wielu czynników, m.in. od wysokości i natężenia opadów, czasu ich trwania, zasięgu przestrzennego opadów oraz od położenia geograficznego zlewni i sposobu jej zagospodarowania. Ocenę zdarzeń ekstremalnych w zlewni Nysy Kłodzkiej przedstawiono w postaci wskaźnikowej charakterystyki opadów, obejmującej maksymalne sumy opadów 1-, 3- i 5-dniowe, częstość opadów silnych i bardzo silnych oraz procentowy udział opadów silnych i bardzo silnych dla wezbrania z 1997 i 2006 roku.
Tabela 4. Wybrane stacje meteorologiczne w zlewni Nysy Kłodzkiej
Nazwa stacji Typ stacji* H (m n.p.m.) Nazwa stacji Typ stacji* H (m n.p.m.)
Kłodzko S 360 Polanica Zdrój P 390
Lądek Zdrój C 461 Chocieszów P 415
Słoszów C 555 Unisław Śląski P 580
Otmuchów C 212 Mieroszów P 495
Głuchołazy C 350 Gajów P 400
Grodków C 170 Bardo Śląskie P 320
Międzylesie P 450 Dziewiętlice P 240
Międzygórze P 675 Nysa P 190
Bystrzyca Kłodzka P 365 Jawornik C 293
Bielice P 695 Jesenik C 465
Nowy Gierałtów P 635 Serak S 1328
Stronie Śląskie P 490
* S – synoptyczna, C – klimatologiczna, P – opadowa; stacje Serak i Jesenik znajdują się po stronie czeskiej
2.2.1. Wskaźnikowa charakterystyka opadów
W klimatologii wartości średnie elementów klimatu wyznacza się zgodnie z wytycznymi World Meteorology Organization (WMO) z okresu co najmniej 30-letniego określanego jako normalny (standardowy). Przyjęty w niniejszym opracowaniu 30-letni okres 1971-2000 jest obecnie często stosowany jako standardowy. Zdarzenia i zjawiska meteorologiczne określane jako ekstremalne są różnie definiowane w literaturze klimatologicznej. Najczęściej stosowane podejścia do określania ekstremalnych zjawisk meteorologicznych [Ustrnul, Czekierda 2009] to:
− ekstrema absolutne, czyli wartości najwyższe lub najniższe zanotowane w przypadku danego zjawiska (np. najwyższa maksymalna suma dobowa opadów);
− ekstremalne wartości określone na podstawie charakterystyk probabilistycznych (np. suma dobowa opadów występująca z prawdopodobieństwem przewyższenia 10%);
− wartości graniczne określone w sposób arbitralny lub empiryczny (np. suma dobowa opadów >70 mm).
Zjawiska (zdarzenia) meteorologiczne, w tym opadowe o charakterze ekstremalnym, można analizować za pomocą wskaźników meteorologicznych stosowanych przez European Climate Assessment (ECA) i zalecanych przez ekspertów ze Światowej Organizacji Meteorologicznej.
Analizę struktury czasowo-przestrzennej dla intensywnych opadów przeprowadza się na podstawie podanych niżej czterech wskaźników, wyznaczanych za pomocą metod statystycznych ze zbioru wyników obserwacji.
2.2.2. Maksymalne sumy opadów
Podstawowym wskaźnikiem statystycznym charakteryzującym ekstremalne zdarzenia opadowe jest maksymalny opad dobowy związany najczęściej z krótkotrwałymi opadami nawalnymi. Opady długotrwałe rozlewne, o dużym zasięgu obszarowym, identyfikowane są z reguły na podstawie maksymalnych sum opadów 3- i 5-dniowych:
− Rx1d – maksymalna suma 1-dobowa (mm);
− Rx3d – maksymalna suma 3-dobowa (mm);
− Rx5d – maksymalna suma 5-dobowa (mm); Częstość opadów powodujących zagrożenie:
− R30mm – liczba dni z opadem ≥30 mm (opad zagrażający wezbraniem);
− R50mm – liczba dni z opadem ≥50 mm (opad groźny);
− R70mm – liczba dni z opadem ≥70 mm (opad powodujący potencjalne zagrożenie powodziowe).
CZĘSTOŚĆ OPADÓW POWYŻEJ OKREŚLONEJ WARTOŚCI PERCENTYLA
Percentyl jest parametrem statystycznym odpowiadającym kwantylowi setnego rzędu. Stosowany on jest do wyznaczenia rozkładu normalnego wartości opadów dobowych. Jest to miara w znaczeniu procentowym. Wartości percentyli wyznaczono na podstawie opadów dobowych dla >1 mm/dobę z wielolecia 1971-2010:
− R90p – liczba dni z opadem >90 percentyla (opady silne);
− R95p – liczba dni z opadem >95 percentyla (opady bardzo silne).
PROCENTOWY UDZIAŁ OPADÓW SILNYCH I BARDZO SILNYCH
− R90pT – suma opadów >90 percentyla względem całkowitej sumy opadów w danym przedziale czasu (%);
− R95pT – suma opadów >95 percentyla względem całkowitej sumy opadów w danym przedziale czasu (%).
Wyniki z przeprowadzonych obliczeń przedstawiowo w postaci graficznej rozkładu przestrzennego sum opadów (rysunek 4 – powódź katastrofalna z 1997 roku, rysunek 5 – wezbranie umiarkowane z 2006 roku), natomiast odpowiadające im wartości średnich opadów na zlewniach cząstkowych zestawiono w tabelach 5 i 6. W lipcu 1997 roku na większości stacji w zlewni Nysy Kłodzkiej najwyższe opady wystąpiły w okresie od 4 do 8 lipca w Masywie Śnieżnika, w Górach Bialskich i w Jesienikach. Średni opad na zlewnię w dniach 4-8 lipca 1997 roku wyniósł 427 mm w zlewni Białej Głuchołaskiej do przekroju wodowskazowego Głuchołazy, 409 mm w zlewni Wilczki do przekroju wodowskazowego Wilkanów oraz 377 mm w zlewni Białej Lądeckiej do przekroju wodowskazowego Lądek Zdrój.
Rys. 4. Przestrzenny rozkład sum opadów w zlewni Nysy Kłodzkiej w okresie 4-8 lipca 1997 roku
Rys. 5. Przestrzenny rozkład sum opadów w zlewni Nysy Kłodzkiej w okresie 3-7 sierpnia 2006
W sierpniu 2006 roku na przeważającym obszarze zlewni Nysy Kłodzkiej zaobserwowano najwyższe sumy opadów w okresie od 3 do 7 sierpnia. Najintensywniejsze opady wystąpiły w Górach Sowich, Bialskich, w Masywie Śnieżnika,
Tabela 5. Średni opad na zlewnię Nysy Kłodzkiej w okresie 4-8 lipca 1997 roku
Lp. Rzeka Wodowskaz Średni opad na zlewnię (mm)
1 Nysa Kłodzka Międzylesie 242
2 Wilczka Wilkanów 409
3 Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka 234
4 Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka 138
5 Biała Lądecka Lądek Zdrój 377
6 Biała Lądecka Żelazno 300
7 Nysa Kłodzka Kłodzko 182
8 Bystrzyca Dusznicka Szalejów 98
9 Nysa Kłodzka Bardo 122
10 Ścinawka Gorzuchów 119
11 Ścinawka Tłumaczów 144
12 Budzówka Kamieniec Ząbkowicki 150
13 Biała Głuchołaska Głuchołazy 427
14 Biała Głuchołaska Biała Nyska 274
Tabela 6. Średni opad na zlewnię Nysy Kłodzkiej w okresie 3-7 sierpnia 2006 roku
Lp. Rzeka Wodowskaz Średni opad na zlewnię (mm)
1 Nysa Kłodzka Międzylesie 174
2 Wilczka Wilkanów 218
3 Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka 175
4 Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka 141
5 Biała Lądecka Lądek Zdrój 191
6 Biała Lądecka Żelazno 187
7 Nysa Kłodzka Kłodzko 170
8 Bystrzyca Dusznicka Szalejów 130
9 Nysa Kłodzka Bardo 149
10 Ścinawka Gorzuchów 165
11 Ścinawka Tłumaczów 213
12 Budzówka Kamieniec Ząbkowicki 162
13 Biała Głuchołaska Głuchołazy 131
14 Biała Głuchołaska Biała Nyska 105
Wzgórzach Ścinawskich i Włodzickich. W tabeli 6 podano wartości średniego opadu w zlewni dla 14 wodowskazów w zlewni Nysy Kłodzkiej. Wynika z niej, że najwyższe wartości opadów wystąpiły w zlewni Wilczki do przekroju Wilkanów (218 mm) i w zlewni Ścinawki do przekroju Tłumaczów (213 mm).
Tło analizowanych wezbrań, w postaci wyznaczonych statystycznie wskaźników zgodnie z ECA, przedstawiono w tabelach 7-10.
Podczas wezbrania powodziowego w lipcu 1997 roku wartości wskaźników opadowych kształtowały się następująco:
− największe sumy opadów 1-, 3- i 5-dniowych wystąpiły na stacji Międzygórze (zlewnia Wilczki), odpowiednio 200,1 mm, 431,2 mm i 453,5 mm. Na stacji Jesenik (zlewnia Białej Głuchołaskiej) wynosiły one 189 mm, 444,0 mm i 512,0 mm, na stacji Serak (zlewnia Białej Głuchołaskiej) – 139,4 mm, 355,8 mm i 455,0 mm oraz na stacji Stronie Śląskie – 159,7 mm, 350,5 mm i 366,9 mm (tabela 7);
− najwięcej dni z opadem powyżej 70 mm, tj. 4 dni, zanotowano w zlewni Białej Lądeckiej (stacje Bielice i Nowy Gierałtów), Białej Głuchołaskiej (stacje Jesenik i Serak) i Ścinawki (stacja Unisław Śląski) (tabela 8);
Tabela 7. Suma miesięczna opadów oraz maksymalne opady 1-, 3- i 5-dobowe na stacjach opadowych w zlewni Nysy Kłodzkiej w okresie 1-31 lipca 1997 roku
Rzeka Wodowskaz Nazwa stacji opadowej H (m
Nysa Kłodzka Międzylesie
Wilczka Wiklanów Międzygórze
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka Bystrzyca
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny
Kłodzka
Nysa Kłodzka Nysa
Biała Głuchołaska Głuchołazy
Nysa Kłodzka Kopice Grodków
− najwięcej dni z opadem powyżej 95 percentyla, tj. 5 dni, wystąpiło w zlewni Białej Lądeckiej (stacje Bielice i Nowy Gieratów) oraz w zlewni Nysy Kłodzkiej (stacja Grodków) (tabela 8).
Tabela 8. Wybrane wskaźniki opadowe na stacjach w zlewni Nysy Kłodzkiej w okresie 1-31 lipca 1997 roku
Rzeka Wodowskaz Nazwa stacji
Nysa Kłodzka
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka
Bystrzyca Dusznicka
(m n.p.m.)
Nysa Kłodzka Nysa
Głuchołaska
Nysa Kłodzka
Największy udział opadów bardzo silnych (powyżej 95 percentyla) obserwowano w zlewni Białej Lądeckiej (stacja Bielice – 79,7%, Nowy Gierałtów – 78,5%) oraz w zlewni Nysy Kłodzkiej (stacja Grodków – 78,2%) (tabela 8).
Podczas wezbrania w sierpniu 2006 roku wartości wskaźników opadowych kształtowały się następująco:
Tabela 9. Suma miesięczna opadów oraz maksymalne opady 1-, 3- i 5-dobowe na stacjach w zlewni
Nysy Kłodzkiej w okresie 1-31 sierpnia 2006 roku
Rzeka Wodowskaz Nazwa stacji H (m n.p.m.)
Nysa Kłodzka Międzylesie
Wiklanów Międzygórze
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny
Kłodzka Kłodzko
Nysa Kłodzka Bardo Śląskie
Nysa Kłodzka Nysa
Biała Głuchołaska
Nysa Kłodzka
− największe sumy opadów 1-, 3- i 5-dniowych wystąpiły na stacji Unisław Śląski (zlewnia Ścinawki), równe odpowiednio 117,5, 213,2 i 301,8 mm, na stacji Międzygórze (zlewnia Wilczki) 105,5, 157,1 i 241,1 mm oraz na stacji Bielice (zlewnia Białej Lądeckiej) 69,5, 126,4 i 205,3 mm (tabela 9);
− najwięcej dni z opadem powyżej 70 mm zaobserwowano w zlewni Ścinawki (stacja Unisław Śląski) – 2 dni (tabela 10);
− najwięcej dni z opadem powyżej 95 percentyla wystąpiło w zlewni Białej Lądeckiej (stacja Lądek Zdrój) – 5 dni (tabela 10);
− największy udział opadów bardzo silnych (powyżej 95 percentyla) zaobserwowano w zlewni Ścinawki (stacja Unisław Śląski – 69,6%) (tabela 10).
Duże wartości wskaźnika percentyla 90 i 95 wskazują, że większość opadów, które wystąpiły w zlewni Nysy Kłodzkiej w lipcu 1997 roku, miało charakter opa-
Tabela 10. Wybrane wskaźniki opadowe na stacjach w zlewni Nysy Kłodzkiej w okresie 1-31 sierpnia 2006 roku
Rzeka Wodowskaz Nazwa stacji H
Nysa Kłodzka
Biała Lądecka
Bystrzyca Dusznicka
Nysa Kłodzka Nysa
dów bardzo silnych stanowiących potencjalne zagrożenie powodziowe. Natomiast w sierpniu 2006 roku wartości tych wskaźników były znacznie niższe.
2.3. Dane hydrologiczne
W zlewni Nysy Kłodzkiej standardowe pomiary hydrologiczne prowadzone są przez IMGW-PIB na dwunastu stacjach wodowskazowych (tabela 11, rysunek 1).
Wartości przepływów głównych (charakterystycznych) NNQ, SSQ, SWQ i WWQ, wyznaczone na podstawie danych z lat 1966-2010, zamieszczono w tabeli 12. Są to następujące przepływy charakterystyczne:
− SSQ średnia woda z wielolecia;
− NNQ minimalny zaobserwowany przepływ w wieloleciu;
− SWQ średnia wielka woda z wielolecia;
− WWQ maksymalny zaobserwowany przepływ w wieloleciu.
W badaniach hydrologicznych i meteorologicznych duże zbiory danych badane są metodami probabilistycznymi [Kaczmarek 1970]. Wynika to z ugruntowanego już przeświadczenia o losowej strukturze zjawisk i procesów przyrodniczych.
Tabela 11. Stacje wodowskazowe w zlewni Nysy Kłodzkiej
Rzeka Stacja wodowskazowa Powierzchnia zlewni (km2) Położenie posterunku Długość geograf. Szerokość geograf.
Nysa Kłodzka Międzylesie 50,13 16°39’58’’ 50°09’22’’
Wilczka Wilkanów 53,18 16°39’44” 50°15’55”
Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka 260,68 16°39’00’’ 50°17’38’’
Bystrzyca Bystrzyca 64,52 16°39’09’’ 50°17’48’’
Biała Lądecka Lądek Zdrój 162,93 16°52’14” 50°20’48”
Biała Lądecka Żelazno 303,20 16°40’31’’ 50°22’21’’
Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny 173,73 16°36’25’’ 50°25’12’’
Nysa Kłodzka Kłodzko 1 081,05 16°39’37’’ 50°26’32’’
Ścinawka Tłumaczów 255,64 16°26’10” 50°33’07”
Ścinawka Gorzuchów 514,98 16°36’23’’ 50°29’07’’
Nysa Kłodzka Bardo 1 742,46 16°44’30’’ 50°30’15’’
Biała Głuchołaska Głuchołazy 285,18 17°22’50’’ 50°19’00’’
Nysa Kłodzka Nysa 3 282,46 17°20’37’’ 50°28’55’’
Nysa Kłodzka Kopice 3 774,21 17°28’57’’ 50°38’50’’
Ścinawa Niemodlińska Niemodlin 269,40 17°37’28” 50°38’44”
Nysa Kłodzka Skorogoszcz 4 505,27 17°40’40’’ 50°45’45’’
Tabela 12. Przepływy charakterystyczne w zlewni Nysy Kłodzkiej z wielolecia 1966-2010
charakterystyczne
Rzeka Wodowskaz
Nysa Kłodzka
Lądecka
Głuchołaska
Tabela 13. Przepływy maksymalne roczne o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia w zlewni
Nysy Kłodzkiej (1966-2010)
Rzeka Wodowskaz
Kłodzka
Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka matematyczna są skutecznym narzędziem tam, gdzie trudności w sformułowaniu modelu teoretycznego skłaniają do korzystania z obserwacji. Stosowanie metod statystycznych to nie tylko opis klimatu i stosunków hydrologicznych, ale przede wszystkim wnioskowanie o własnościach rozpatrywanych zjawisk i prognozowanie ich przyszłego przebiegu.
Przepływy maksymalne roczne o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia przedstawiono w tabeli 13. Przepływy te są m.in. podstawą projektowania obiektów hydrotechnicznych.
Z hydraulicznego punktu widzenia jednym z najważniejszych wskaźników charakteryzujących wezbranie jest spływ jednostkowy wyrażony w m3/s/km2. Wskazuje on na objętość wody odpływającej w jednostce czasu z powierzchni jednostkowej zlewni. Spływ jednostkowy pozwala na porównanie ze sobą maksymalnych odpływów dla różnych zlewni o różnych cechach fizjograficznych i klimatycznych oraz na przybliżoną ocenę możliwego odpływu ze zlewni niekontrolowanych. W tabeli 15 zamieszczono wartości maksymalnych przepływów i spływów jednostkowych dla wybranych fal historycznych. Stacje wodowskazowe są przedstawione w kolejności zgodnej z przyrostem zlewni, od wodowskazu Międzylesie do wodowskazu Skorogoszcz.
Tabela 14. Średni roczny współczynnik odpływu w przekrojach wodowskazowych zlewni Nysy Kłodzkiej dla wielolecia 1966-2010 [za: Tokarczyk 2011]
Rzeka
Nysa Kłodzka
Posterunek wodowskazowy Średni roczny współczynnik odpływu
Międzylesie 0,50
Bystrzyca Kłodzka 0,58
Kłodzko 0,51
Bardo 0,53
Nysa 0,39
Kopice 0,34
Skorogoszcz 0,40
Wilczka Wilkanów 0,76
Bystrzyca Bystrzyca 0,57
Biała Lądecka
Lądek Zdrój 0,72
Żelazno 0,60
Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny 0,50
Ścinawka Tłumaczów 0,37
Gorzuchów 0,33
Biała Głuchołaska Głuchołazy 0,62
Tabela 15. Maksymalne przepływy Q max i spływy jednostkowe q max w badanych przekrojach wodowskazowych dla wybranych fal historycznych
Rzeka Stacja wodowskazowa Powierzchnia zlewni (km 2 )
Dusznicka Szalejów Dolny
Kłodzka Bardo
Nysa Kłodzka Nysa
Nysa Kłodzka Kopice
Ścinawa Niem odlińska Niemodlin
Nysa Kłodzka Skorogoszcz
Odpływ ze zlewni charakteryzowany jest również przez współczynnik odpływu α. Jest to stosunek ilości wody odpływającej z danej zlewni do całkowitej ilości wody spadającej na nią (tabela 14). Współczynnik odpływu odnosi się do całkowitej ilości wody, jaka przepłynęła przez określony profil wodowskazowy w danym czasie.
W zlewni Nysy Kłodzkiej średni roczny współczynnik odpływu zmienia się od 0,76 w przekroju wodowskazowym Wilkanów do 0,33 w przekroju wodowskazowym Gorzuchów.
2.3.1. Zagrożenie powodziowe – potencjał powodziowy
Złożoność zjawisk i warunków towarzyszących wezbraniom powodziowym nie sprzyja prostemu określeniu zagrożenia powodziowego i jego ilościowej oceny. Podejmowane w tym względzie wysiłki były ukierunkowane z reguły na określenie charakterystyk, takich jak: częstotliwość wezbrań, ich długotrwałość, prędkość przemieszczania się fali powodziowej, czas koncentracji, czas wzrastania i opadania fali itp.
Zaproponowane przez Ozgę-Zielińską i współpracowników [2003] miary powodziogenności rzek zostały odniesione do wartości Maksymalnego Wiarygodnego Wezbrania (MWW), a każda z tych miar stanowi część wartości MWW. Przedstawiona w tej pracy metodyka określania MWW dotyczy wyłącznie takich przypadków, w których cała powierzchnia zlewni jest objęta opadem o wartości Maksymalnego Wiarygodnego Opadu (MWO). Wyznaczenie tych wartości, przy zastosowaniu genetycznych metod występowania zjawisk hydrologicznych, jest zagadnieniem złożonym.
Na międzynarodowym sympozjum Zapory i ekstremalne wezbrania, zorganizowanym przez Międzynarodową Komisję Wielkich Zapór w 1992 roku (Grenada, Hiszpania), zalecono stosowanie przepływu MWW jako podstawy projektowania dużych obiektów hydrotechnicznych [Ozga-Zielińska i in. 2003]. Przepływ ten [Berga 1992, za Ozgą-Zielińską 2003] jest przyjmowany w niektórych publikacjach jako przepływ o prawdopodobieństwie p = 0,01% (woda występująca z częstością raz na dziesięć tysięcy lat).
Ocenę stopnia bezpieczeństwa lub zagrożenia każdego obiektu hydrotechnicznego, w tym zbiornika retencyjnego, przeprowadza się z reguły na podstawie Wskaźnika Gwarancji Bezpieczeństwa WGB obiektu:
WGB = Qm
MWW
gdzie: Qm jest przepływem miarodajnym, dla którego został zaprojektowany dany obiekt hydrotechniczny; MWW jest przepływem maksymalnym o prawdopodobieństwie p = 0,02%, który odpowiada przepływowi kontrolnemu dla I klasy zapór zbiorników wodnych. Takimi budowlami są np. zapory zbiorników Nysa i Otmuchów.
Przyjmując, na przykład, jako przepływ miarodajny Qm, odpowiadający prawdopodobieństwu p =1%, na który najczęściej projektuje się ochronę przeciwpowodziową, wyznaczamy stopień gwarancji bezpieczeństwa przed powodzią dolin rzecznych chronionych obwałowaniem poniżej zbiornika retencyjnego I klasy:
WGB = Qm 1% Qmax 0,02%
Ocenę stopnia zagrożenia powodziowego doliny rzeki poniżej zbiornika retencyjnego określa się na podstawie Wskaźnika Zagrożenia Powodziowego WZP.
WZP = MWW – Qdoz MWW
gdzie Qdoz jest przepływem dozwolonym poniżej zbiornika.
Wskaźnik zagrożenia powodziowego dla doliny Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa wynosi:
WZP = = 0,93
3618 – 250 3618
Po poprawieniu warunków przepływu w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa i zwiększeniu odpływu dozwolonego do 800 m 3/s wskaźnik ten będzie wynosił:
WZP′ = = 0,78
3618 – 800 3618
Wskaźnik ten określa stopień zagrożenia powodzią doliny poniżej zbiornika, gdyż dopiero w sytuacjach wystąpienia przepływów większych od Qdoz pojawiają się straty powodziowe. Ma on niewątpliwie związek ze stanami ostrzegawczymi i alarmowymi.
Ocenę powodziogenności doliny poniżej zbiornika retencyjnego pod kątem największego dotychczas zaobserwowanego przepływu określa wskaźnik komplementarnej powodziogenności WKP.
WKP = MWW – WWQ MWW
gdzie WWQ jest największym zaobserwowanym przepływem w wieloleciu poniżej danego zbiornika retencyjnego (absolutne maksimum).
Wskaźnik komplementarnej powodziogenności dla doliny Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa wynosi:
3618 – 1550
WKP = = 0,59
3618
Przedstawione metody dają możliwość zróżnicowania oceny powodziowości w przekrojach wodowskazowych poniżej zbiorników retencyjnych. Natomiast nie są one wystarczające do oceny konkretnych odcinków dolin rzecznych, gdzie przebieg powodzi może być bardzo zróżnicowany, tak od strony fizycznej, jak i społeczno-ekonomicznej.
2.4. Wezbrania historyczne
Z zapisów kronikarskich wynika, że w latach 1813-1855 występowały powodzie, które były następstwem wezbrań na Odrze, Nysie Kłodzkiej, Bobrze i Nysie Łużyckiej. Wartościowe informacje pochodzą jednak z początku XIX wieku, kiedy rozpoczęto systematyczne obserwacje meteorologiczne i hydrologiczne. Według dostępnych materiałów historycznych wielkie powodzie w dorzeczu Odry występowały stosunkowo często, między innymi w latach 1813, 1829, 1854, 1880, 1902, 1903, 1958, 1964, 1965, 1970, 1972, 1977, 1985, 1997, 2001, 2006, 2009 i 2010. Jednak powódź w 1997 roku na Odrze i Nysie Kłodzkiej swoimi rozmiarami przekroczyła wszystkie dotychczasowe.
Na podstawie zbiorów danych typu opad-odpływ z lat 1964-2010, będących w zbiorze danych HYDRO w IMGW-PIB, oraz danych typu dopływ i odpływ ze zbiorników Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa, rejestrowanych przez RZGW we Wrocławiu, wytypowano dziwięć wezbrań, które zostały zarejestrowane na zdecydowanej większości stacjach opadowych i we wszystkich siedemnastu przekrojach wodowskazowych w zlewni Nysy Kłodzkiej. Wydzielony zbiór to wezbrania letnie z lat: 1964, 1965, 1977, 1985, 1997, 2001, 2006, 2009 i 2010 (dane źródłowe w egzemplarzu archiwalnym). Hydrogramy wyżej wymienionych wezbrań i odpowiadające im hietogramy opadów dobowych (1964, 1965, 1977) oraz godzinowych (1985, 1997, 2001, 2006, 2009, 2010) poddano analizie, w wyniku której:
− wydzielono w zlewni Nysy Kłodzkiej zlewnie cząstkowe (rysunek 6), dla których na podstawie sum opadów dobowych z dwudziestu trzech stacji IMGW-PIB oraz trzech stacji czeskich CHMU (tabela 4) wyznaczono średni opad; rozkład przestrzenny opadów wykonano metodą odwrotnych odległości ważonych Inverse Distance Weighting (IDW) (rysunki 7-16);
− oceniono zmienność czasową i przestrzenną opadów w zlewniach przyrastających;
− wydzielono odpływ podziemny z odpływu całkowitego;
− wyznaczono cechy morfologiczne badanych fal;
− określono charakterystyczne czasy dobiegu fal do przekrojów wodowskazowych;
− obliczono fale hipotetyczne o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 10%, 1%, 0,2%, 0,1% i 0,02%.
Rys. 6. Zlewnia Nysy Kłodzkiej z wydzielonymi zlewniami cząstkowymi
Estymacja pola opadów na podstawie danych punktowych wymaga zastosowania jednej z metod interpolacji. W opracowaniu zastosowano metodę odwrotnych odległości ważonych IDW (ang. Inverse Distance Weighting). Metoda IDW za pomocą średniej ważonej z n pomiarów w punktach z(xi, yi) określa wartość
Z w miejscu (xj, yj), w którym nie ma pomiarów, d – odległość danego punktu pomiarowego od miejsca interpolacji [Urbański 2008]. Wartość Z wyznacza się z wyrażenia:
[z(xi yi)dij –p]
(xj, yj) = (1)
Na pole opadów interpolowane metodą IDW mają wpływ przede wszystkim:
− wartość wykładnika potęgi p – im większy wykładnik, tym mniejsze znaczenie mają dalej położone punkty pomiarowe. Wartość p dobierano z zakresu od 1 do 3, osobno dla każdego przypadku tak, aby średni błąd interpolacji był jak najmniejszy (tabela 16);
− ilość stacji uwzględniona do interpolacji.
Metodę IDW wykorzystano w prezentacji rozkładów przestrzennych opadów, które są podstawą do opracowania prognoz hydrologicznych.
Przestrzenne rozkłady badanych epizodów wyznaczone metodą IDW przedstawiono na rysunkach 7-16.
Tabela 16. Średni błąd interpolacji opadów dla wybranych fal wezbraniowych w zlewni Nysy Kłodzkiej Rok wystąpienia wezbrania Ilość stacji opadowych Średni błąd
W zbiorze badanych wezbrań dysponowano jedynie dobowymi wartościami opadów. Dobowe wartości nie dają właściwego rozkładu czasowego opadów i ich natężenia, szczególnie w zlewniach górskich, gdzie przeważającym typem opadów wywołujących wezbrania są opady konwekcyjne oraz stref konwergencji [Kupczyk, Suligowski 2011] (np. opady w 1997 roku). Wartości godzinowe opadów były dostępne jedynie dla roku 1997 dla wybranych stacji opadowych. Dopiero po roku 2000 dostępne są wartości godzinowe. Na podstawie posiadanego zbioru danych, wiedzy o zjawisku formowania się wezbrań w dorzeczu Odry [Kosierb 2004] oraz przeprowadzonej analizy statystycznej opadów i maksymalnych przepływów można stwierdzić, że największy wpływ na formowanie się wezbrań w zlewni Nysy Kłodzkiej ma sytuacja opadowa w Kotlinie Kłodzkiej. Odbiciem tej zależności pod względem hydrologicznym są przepływy w przekroju wodowskazowym Bardo na Nysie Kłodzkiej oraz w przekroju wodowskazowym Głuchołazy na rzece Biała Głuchołaska.
Rys. 7. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 9-13.08.1964 roku w zlewni Nysy
Kłodzkiej
Rys. 8. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 25-29.05.1965 roku w zlewni Nysy Kłodzkiej
Rys. 9. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 30.07-3.08.1977 roku w zlewni Nysy Kłodzkiej
Rys. 10. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 6-10.08.1985 roku w zlewni Nysy
Kłodzkiej
Rys. 11. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 3-7.07.1997 roku w zlewni Nysy Kłodzkiej
Rys. 12. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 16-21.07.1997 roku w zlewni Nysy
Kłodzkiej
Rys. 13. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 16-20.07.2001 roku w zlewni Nysy
Kłodzkiej
Rys. 14. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 3-8.08.2006 roku w zlewni Nysy Kłodzkiej
Rys. 15. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 22-26.06.2009 roku w zlewni Nysy
Kłodzkiej
Rys. 16. Rozkład przestrzenny sumy opadów w dniach 30.05-3.06.2010 roku w zlewni Nysy Kłodzkiej
2.4.1. Zmienność czasowa i przestrzenna opadów w czasie wezbrań
Opad efektywny [Ignar 1988] stanowi tę część opadu atmosferycznego, która drogą spływu po powierzchni terenu zlewni, współdziałając jednocześnie z infiltracją, dostaje się do koryt sieci rzecznej formując wezbranie w zlewni. W skali makro o współdziałaniu procesów spływu powierzchniowego, infiltracji i retencji powierzchniowej zlewni decyduje głównie fizjografia i budowa geologiczna zlewni oraz wzajemne relacje między natężeniem deszczu a natężeniem infiltracji [Soczyńska 1997].
Wstępną ocenę zmienności czasowej i przestrzennej opadów można było wykonać dla zbioru danych (tabela 3) wyznaczając:
− sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających (tabele 17-25);
− rozkłady przestrzenne opadów (rysunki 7-16);
− wskaźnikową charakterystykę opadów dla badanych wezbrań (tabele 8-10).
Udział zlewni przyrastających w formowaniu badanych wezbrań przedstawiono również w postaci graficznej (rysunki 17 i 18), nanosząc na układ współrzędnych maksymalną sumę średniego opadu dobowego w zlewniach przyrastających i dzień wystąpienia tego opadu. Na dziewięć analizowanych historycznych wezbrań pięciokrotnie występowała Biała Lądecka w połączeniu z Wilczką (1997 rok) i Białą Głuchołaską (1977, 1997, 2009 i 2010 rok), czterokrotnie wiodącą była Biała Głuchołaska z Białą Lądecką (1997, 2009 i 2010 rok) i Ścinawką (2001 rok), trzykrotnie o wezbraniu decydowała Wilczka w połączeniu z Bystrzycą Dusznicką (1985 rok), Białą Lądecką (1997 rok) i Ścinawką (2006 rok).
Z przedstawionej zmienności przestrzennej i czasowej (rysynki 17 i 18) maksymalnego średniego opadu dobowego w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej wynika, że decydujące znaczenie w formowaniu się wezbrań opadowych mają obszary górskie tworzące Kotlinę Kłodzką zamkniętą przekrojem wodowskazowym w Bardzie. Drugim obszarem powodziogennym jest górska część zlewni Białej Głuchołaskiej, z której odpływ rejestruje przekrój wodowskazowy w Głuchołazach.
Tabela 17. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 9-13.08.1964 roku
Rzeka Wodowskaz
Nysa Kłodzka Międzylesie
Wilkanów
Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Biała Lądecka Żelazno
Bystrzyca Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Tłumaczów
Ścinawka Gorzuchów
Nysa Kłodzka Bardo
Budzówka Kamieniec Ząbkowicki
Biała Głuchołaska Głuchołazy
Biała Głuchołaska Biała Nyska
Tabela 18. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 25-29.05.1965 roku Rzeka Wodowskaz
Średni opad w zlewni (mm)
Nysa Kłodzka Międzylesie
Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Dusznicka Szalejów
Kłodzka Kłodzko
Tłumaczów
Kamieniec
Tabela 19. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 30.073.08.1977 roku
Średni opad w zlewni (mm) Nysa Kłodzka Międzylesie
Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Kłodzka
Lądecka Lądek Zdrój
Lądecka Żelazno
Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Ścinawka Tłumaczów
Gorzuchów
Nysa Kłodzka Bardo
Kamieniec Ząbkowicki
Biała Głuchołaska Głuchołazy
Biała Głuchołaska Biała Nyska
Tabela 20. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 6-10.08.1985 roku
Rzeka Wodowskaz
Nysa Kłodzka Międzylesie
Wilkanów
Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Lądecka Żelazno
Bystrzyca Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Tłumaczów
Gorzuchów
Kłodzka Bardo
Kamieniec Ząbkowicki
Głuchołaska Głuchołazy
Głuchołaska Biała Nyska
Tabela 21. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 3-7.07.1997 roku
Kłodzka Międzylesie
Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Lądecka Żelazno
Bystrzyca Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Ścinawka Tłumaczów
Ścinawka Gorzuchów
Nysa Kłodzka Bardo
Budzówka Kamieniec Ząbkowicki
Biała Głuchołaska Głuchołazy
Biała Głuchołaska Biała Nyska
Tabela 22. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 17-21.07.1997 roku
Rzeka Wodowskaz
Nysa Kłodzka Międzylesie
Wilkanów
Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Lądecka Żelazno
Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Tłumaczów
Kłodzka Bardo
Kamieniec Ząbkowicki
Głuchołaska Głuchołazy
Głuchołaska Biała Nyska
Średni opad w zlewni (mm)
Tabela 23. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 16-20.07.2001 roku
Kłodzka Międzylesie
Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Kłodzka
Lądecka Lądek Zdrój
Lądecka Żelazno
Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Ścinawka Tłumaczów
Gorzuchów
Nysa Kłodzka Bardo
Kamieniec Ząbkowicki
Biała Głuchołaska Głuchołazy
Biała Głuchołaska Biała Nyska
Tabela 24. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 4-8.08.2006 roku
Rzeka Wodowskaz
Nysa Kłodzka Międzylesie
Wilkanów
Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Lądecka Żelazno
Bystrzyca Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Tłumaczów
Gorzuchów
Kłodzka Bardo
Kamieniec Ząbkowicki
Głuchołaska Głuchołazy
Biała Głuchołaska Biała Nyska
Tabela 25. Sumy dobowe średniego opadu w zlewniach przyrastających Nysy Kłodzkiej w dn. 22-26.06.2009 roku
Kłodzka Międzylesie
Wilkanów
Kłodzka Bystrzyca Kłodzka
Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka
Biała Lądecka Lądek Zdrój
Biała Lądecka Żelazno
Bystrzyca Dusznicka Szalejów
Nysa Kłodzka Kłodzko
Ścinawka Tłumaczów
Ścinawka Gorzuchów
Nysa Kłodzka Bardo
Budzówka Kamieniec Ząbkowicki
Biała Głuchołaska Głuchołazy
Biała Głuchołaska Biała Nyska
Rys. 17. Udział zlewni przyrastających w formowaniu się wezbrań powodziowych w zlewni rzeki Nysa Kłodzka w latach 1964, 1965, 1977 i 1985
Rys. 18. Udział zlewni przyrastających w formowaniu się wezbrań powodziowych w zlewni rzeki Nysa Kłodzka w latach 1997, 2001, 2006, 2009 i 2010
Poszukując związku między opadem efektywnym a spływem powierzchniowym, wydzielono z całkowitego hydrogramu wezbrań część, która jest odpływem podziemnym.
2.4.2. Wydzielenie odpływu podziemnego z odpływu całkowitego
Wydzielenie odpływu podziemnego z odpływu całkowitego pozwala na oszacowanie spływu powierzchniowego, którym zasilane są cieki podczas wezbrań. Aktualnie do wydzielenia tego odpływu stosowane są w hydrologii różne metody. Punkt początkowy fali daje się względnie łatwo wyznaczyć na podstawie oceny przyrostów godzinowych przepływu. Ustalenie końcowego punktu podziału jest znacznie trudniejsze, ponieważ kończy się spływ powierzchniowy i podpowierzchniowy, a zaczyna wzrastać odpływ podziemny.
Wszystkie metody rozdziału są oparte na założeniach arbitralnych, gdyż brak jest ścisłej, genetycznie uzasadnionej definicji wydzielenia z hydrogramu fal spływu powierzchniowego i podziemnego. Dla wyznaczania punktu podziału stosowane są następujące metody:
− według prostej poziomej; metoda ta daje stały odpływ podziemny, co nie znajduje fizycznego uzasadnienia, ponieważ w czasie trwania opadu zasilanie wód podziemnych również wzrasta, lecz jest opóźnione w stosunku do odpływu całkowitego;
− według prostej rosnącej; metoda ta jest fizycznie uzasadniona, a końcowy punkt wyznacza wyraźne spłaszczenie krzywej opadającej fali;
− za pomocą dwóch prostych; w metodzie tej zakłada się zmniejszenie odpływu podziemnego do momentu kulminacji fali, a następnie wzrost do punktu końcowego;
− rozdział przepływu, jak w metodzie poprzedniej, za pomocą krzywej trzeciego stopnia.
Ponieważ przy dużych wezbraniach powodziowych udział odpływu podziemnego jest mały, to wybrana metoda rozdziału ma niewielki wpływ na efekt końcowy.
2.4.3. Cechy morfologiczne fal
Hydrogram fali wg Chow’a [1964] to »integralne wyznaczenie charakterystyk fizjograficznych i klimatycznych, które determinują relacje między opadem a odpływem na obszarze zlewni«.
Morfologicznymi charakterystykami fal są następujące parametry:
− przepływ maksymalny (kulminacyjny) (m3/s);
− objętość fali (mln m 3);
− czas wznoszenia (godz.) – czas od początku wezbrania do momentu osiągnięcia przepływu maksymalnego;
− czas opadania (godz.), który wynika z krzywej opadania hydrogramu. Czas wznoszenia i czas opadania stanowią łącznie czas trwania fali.
Efekty przeprowadzonych analiz przyczyna-skutek (opad-odpływ) przedstawiono dla dziesięciu posterunków wodowskazowych określając:
− okres wystąpienia wezbrania;
− przepływ maksymalny i datę jego wystąpienia;
− charakterystyki morfologiczne fal, tj. objętość, czas trwania, czas wznoszenia i czas opadania;
− sumę opadów na zlewnię oraz maksymalny opad dobowy na stacji.
Wyznaczone wartości przedstawiono w postaci tabelarycznej. Cechy morfologiczne fal dla przekrojów wodowskazowych Bardo na Nysie Kłodzkiej i Głuchołazy na Białej Głuchołaskiej zebrano w tabelach 26 i 27. Bardo i Głuchołazy są podstawowymi wodowskazami osłonowymi dla kaskady zbiorników retencyjnych na Nysie Kłodzkiej. Pozostałe charakterystyki dla stacji wodowskazowych Nysy Kłodzkiej i jej głównych dopływów zamieszczono w Załączniku I.
2.4.4. Odpływ powierzchniowy – zmienność czasowa i przestrzenna
Jednym z podstawowych problemów hydrologii jest określenie mechanizmu transformacji opadu w odpływ [Ozga-Zielińska, Brzeziński 1997; Soczyńska 1997; Szymkiewicz, Gąsiorowski 2010].
Dla inżynierów eksploatujących zbiorniki retencyjne istotne znaczenie ma hydrogram będący reakcją zlewni na opady o charakterze nawalnym. Zestaw takich hydrogramów dla zlewni Nysy Kłodzkiej zamieszczono w opracowaniu Hydrogramy fal Nysy Kłodzkiej [2012]. Złożone kształty tych hydrogramów są generowane głównie przez przestrzenną zmienność opadów (rysunki 7-16) oraz powierzchnię i kształt zlewni (tabela 2). W wyniku łącznego oddziaływania na zlewnię klimatu i procesów geologicznych powstała dendryczna sieć rzek i strumieni. W hydrologii przyjmuje się, że czas trwania spływu powierzchniowego (ts) spowodowanego „opadem efektywnym” jest sumą czasu trwania opadu (tp) i czasu koncentracji (tk).
Czas koncentracji definiowany jest w hydrologii jako czas, po którym krople wody z najdalszych miejsc zlewni dotrą do przekroju zamykającego. Termin ten stosujemy przy jednoczesnym dobiegu spływów powierzchniowych różnymi dro-
Tabela 26. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Bardo na Nysie Kłodzkiej
Maksymalny opad dobowy
Suma opadów na zlewnię
data
Parametry morfometryczne fali
Czas trwania (godz.) Czas wznoszenia (godz.) Czas opadania (godz.)
Objętość (mln m 3 )
Data wystąpienia Qmax
Okres wystąpienia wezbrania Qmax (m 3 /s)
od do (mm) okres wystąpienia (mm/d)
18:00
14:00
11:00
Tabela 27. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Głuchołazy na rzece Biała Głuchołaska
opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy Objętość (mln m 3 ) Czas trwania (godz.) Czas wznoszenia (godz.) Czas opadania (godz.)
Okres wystąpienia wezbrania Qmax (m 3 /s) Data wystąpienia Qmax Parametry morfometryczne fali
14:00
05:00
gami do rozpatrywanego profilu. Określa się go jako odległość środka ciężkości hietogramu opadu od środka ciężkości hydrogramu fali wywołanej tym opadem.
Graficzną prezentację opisanych wyżej zależności typu opad-odpływ przedstawiono dla wiodących posterunków wodowskazowych, tj. dla Barda (rysunki 19, 20, 21, 22) i dla Głuchołaz (rysunki 23, 24).
Z wykorzystaniem godzinowych hietogramów i odpowiadających im hydrogramów przepływu, oceniono również czas dobiegania na podstawie różnicy między czasami wystąpienia maksymalnego opadu na terenie zlewni i maksymalnego przepływu w przekroju wodowskazowym. Wartości wyznaczone tymi metodami przedstawiono w tabeli 28.
Tabela 28. Charakterystyczne czasy spływu powierzchniowego wyznaczone na podstawie wezbrań historycznych
Oznaczenia Jednostki lipiec 1997 fala 1 lipiec 1997 fala 2 sierpień 1985 czerwiec
Nysa Kłodzka, wodowskaz Bardo
Biała Głuchołaska, wodowskaz Głuchołazy
Oznaczenia: Qmax – przepływ maksymalny, TQmax – data wystąpienia Qmax, Pmax – opad maksymalny, TPmax – data wystąpienia Pmax, TQmax – TPmax – czas dobiegania, tk – czas koncentracji, tp – czas trwania opadu, ts – czas trwania spływu powierzchniowego
Z zamieszczonych w tabeli 28 wartości wynika, że czas dobiegania ze zlewni Nysy Kłodzkiej do przekroju Bardo (TQmax – TPmax) zmienia się w przedziale od 10 do 26 godz., z przewagą krótszych czasów. Natomiast czas trwania spływu powierzch-
Rys. 19. Hietogram
opadu i hydrogram odpływu ze zlewni
Nysy Kłodzkiej
w przekroju Bardo, 1985 rok
Rys. 20. Hietogram
opadu i hydrogram
odpływu ze zlewni
Nysy Kłodzkiej w przekroju Bardo, 1997 rok – fala 1
Rys. 21. Hietogram
opadu i hydrogram
odpływu ze zlewni
Nysy Kłodzkiej
w przekroju Bardo, 1987 rok – fala 2
Rys. 22. Hietogram
opadu i hydrogram odpływu ze zlewni
Nysy Kłodzkiej w przekroju Bardo, 2006 rok
Rys. 23. Hietogram
opadu i hydrogram
odpływu ze zlewni
Białej Głuchołaskiej w przekroju Głuchołazy, 1997 rok
Rys. 24. Hietogram
opadu i hydrogram odpływu ze zlewni
Białej Głuchołaskiej w przekroju Głuchołazy, 2009 rok
niowego zamyka się w przedziale od 62 do 134 godz., przy czym czas koncentracji zmienia się od 14 do 45 godz. Analogiczne czasy w przekroju Głuchołazy na rzece Biała Głuchołaska wynoszą: czas dobiegu od 6 do 31 godz., natomiast czas spływu powierzchniowego od 55 do 128 godz., przy czasie koncentracji od 8 do 42 godz. W krótkoterminowych prognozach wezbrań spowodowanych opadami istotne znaczenie mają relacje między czasem koncentracji i czasem przemieszczania się fal. Czas przemieszczania się fal określa się najczęściej w odniesieniu do przejścia kulminacji fali powodziowej wzdłuż koryta rzeki. Najlepsze rezultaty w ocenie czasu przemieszczania daje analiza empiryczna oparta na materiale historycznym, która nie jest pozbawiona różnych komplikacji, gdy między rozważanymi profilami znajdują się dopływy boczne, które zmieniają kształt fali i mogą opóźnić lub przyspieszyć kulminacje. Z dokonanej analizy przemieszczania się fal między przekrojami wodowskazowymi z uwzględnieniem dopływów bocznych na rzekach Nysa Kłodzka i Biała Głuchołaska wynika, że średni czas i prędkość na badanych odcinkach wynoszą:
Tabela 29. Pomierzone prędkości maksymalne i odpowiadające im prędkości średnie w przekrojach wodowskazowych Nysy Kłodzkiej i jej dopływach (dane z lat 1951-2011)
Rzeka Wodowskaz Vmax (m/s) Vśredn (m/s) Data pomiaru Suma wykonanych pomiarów
Nysa Kłodzka Międzylesie 2,65 1,84 30.06.2009 221
Wilczka Wilkanów 3,14 1,48 22.07.2011 256
Nysa Kłodzka Bystrzyca Kłodzka 2,207 1,52 12.03.1998 295
Bystrzyca Bystrzyca 2,63 1,99 03.12.2007 296
Biała Lądecka Lądek Zdrój 3,04 1,37 14.11.2012 292
Biała Lądecka Żelazno 3,52 2,28 09.07.1985 302
Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny 2,63 1,44 11.06.2013 297
Nysa Kłodzka Kłodzko 3,90 2,55 28.02.2006 265
Ścinawka Tłumaczów 4,05 0,50 11.04.2007 317
Ścinawka Gorzuchów 2,65 1,54 24.02.2012 301
Nysa Kłodzka Bardo 2,58 1,81 07.07.1985 224
Budzówka Kamieniec Ząbkowicki 3,47 0,14 17.06.2011 82
Nysa Kłodzka Nysa 2,70 1,67 03.06.1965 342
Nysa Kłodzka Kopice 3,21 1,56 23.01.2008 161
Nysa Kłodzka Skorogoszcz 2,95 1,64 29.07.1997 246
Biała Głuchołaska Głuchołazy 4,01 1,58 05.07.1977 277
Biała Głuchołaska Biała Nyska 2,53 0,48 13.09.2011 84
Tabela 30. Prędkości i czasy przemieszczania się fali kinematycznej na Nysie Kłodzkiej (na podstawie danych z lat 1951-2011)
Nazwa wodowskaz Rzeka
Międzylesie
Bystrzyca Kłodzka
Odległość między wodowskazami (km)
Prędkość z pomiarów hydrometrycznych Ilość pomiarów (sztuk) Prędkość średnia na odcinku (m/s) Prędkość fali kinemat. (m/s) Czas przemieszczenia (godz.) maks. (m/s) średnia (m/s)
Lądek Zdrój
Nysa Kłodzka 21,54 21,51 16,97 50,90 28,50
Głuchołazy
Nyska
Głuchołaska
− Międzylesie – Bystrzyca: t = 4 godz., v = 1,6 m/s;
− Bystrzyca – Kłodzko: t = 3,6 godz., v = 1,82 m/s;
− Kłodzko – Bardo: t = 2,3 godz., v = 3,6 m/s;
− Głuchołazy – zbiornik Nysa: t = 4,5 godz. v = 1,5 m/s. Inną metodą określenia czasu przemieszczania się fal jest jego ocena na podstawie pomiarów hydrometrycznych. Największe i najmniejsze pomierzone wartości prędkości stanowią ważny rozdział w klasyfikacji ekstremów w hydrologii. Mają one bezpośrednią interpretację fizyczną, jako wynik dynamicznego procesu przepływu opisywanego równaniami Saint Venanta. Jeżeli w równaniu zachowania pędu uwzględnimy jedynie dwie siły, tj. siłę ciężkości i siłę tarcia, to otrzymamy równanie fali kinematycznej, dla której prędkość wynosi Vf = Vśr. Oznacza to, że fala kinematyczna przemieszcza się w cieku z prędkością większą od średniej prędkości przepływu. Zbiorem danych dla oceny prędkości były pomiary hydrometryczne z lat 1951-2011 (tabela 29).
Podstawą oceny prędkości i czasu przemieszczania się fal wezbraniowych na odcinkach między posterunkami wodowskazowymi rzek Nysy Kłodzkiej, Białej Lądeckiej, Ścinawki i Białej Głuchołaskiej było wybranie ze zbioru danych hydrometrycznych prędkości maksymalnych i odpowiadających im prędkości średnich.
Wyznaczone prędkości fali kinematycznej i czasy przemieszczania się między przekrojami wodowskazowymi są zbliżone do wartości maksymalnych (tabela 30) uzyskanych z pomiarów hydrometrycznych.
2.4.5. Fale hipotetyczne
Powtarzalność zdarzeń ekstremalnych wyznacza się metodami statystyki matematycznej. Przepływy roczne o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia (tabela 13) stanowią dane wyjściowe dla wymiarowania obiektów gospodarki wodnej. Dane te wraz z falami hipotetycznymi (teoretycznymi) [Gądek 2012, 2014] mają szerokie zastosowanie w gospodarowaniu zasobami wodnymi na zbiornikach retencyjnych. Obliczanie fal hipotetycznych nie doczekało się jeszcze właściwej metodyki. Wyznacza się je różnymi metodami, m.in. Reitzem-Krepsem [za Lamborem 1962b], Strupczewskiego [1964], Politechniki Warszawskiej (1971), Politechniki Krakowskiej [Gądek 2012]. Obliczenie fal hipotetycznych w pracy wykonano metodą Politechniki Warszawskiej, a źródłem danych były hydrogramy wezbrań z lat 1964-2010. Z tego zbioru wybrano sześć największych wezbrań o charakterze jednorodnym, dla których wyznaczono następujące parametry morfologiczne:
Q0 – przepływ początkowy, od którego rozpoczyna się ciągły i intensywny wzrost natężenia przepływu (m3/s);
Qmax – przepływ maksymalny wezbrania (m3/s); tw – czas wznoszenia fali od przepływu początkowego Q0 do przepływu maksymalnego Qmax (godz.); top – czas opadania (godz.).
SUMA CZASÓW WZNOSZENIA
I OPADANIA WYZNACZA CZAS TRWANIA WEZBRANIA
Ustalenie końcowego punktu na krzywej opadania hydrografu fali jest znacznie trudniejsze niż punktu początkowego (rozdz. 2.4.2), ponieważ wraz z końcem spływu powierzchniowego zaczyna wzrastać odpływ gruntowy. Najczęściej punkt ten wyznaczany jest rosnącą prostą łączącą początek wezbrania z punktem przecięcia na krzywej opadania. W metodzie warszawskiej ten punkt przyjmuje się 4×tw.
Obliczenia metodą Politechniki Warszawskiej polegają na normalizacji zbioru fal po czasie i natężeniu przepływu (są one o różnych skalach czasowych i natężenia przepływu), celem ustalenia wzorcowego hydrogramu jednostkowego.
Fala wzorcowa stanowi podstawę do wyznaczania hydrogramu fali hipotetycznej o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia. Rzędne tej fali otrzymuje się [Gądek 2012] przez pomnożenie poszczególnych znormalizowanych współrzęd-
nych czasowych i przepływów przez średni czas wznoszenia i wartość przepływu maksymalnego o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia Qpp (tabela 13). W ten sposób otrzymujemy fale hipotetyczne o następujących charakterystykach:
− natężenie przepływu Qpp (m3/s);
− czas wznoszenia (godz.), czas opadania (godz.);
− objętość wezbrania V (mln m 3).
Hydrogramy fal hipotetycznych dla przekroju Bardo na Nysie Kłodzkiej przedstawiono w tabeli 31 i na rysunku 25, natomiast dla Głuchołaz na Białej Głuchołaskiej w tabeli 32 i rysunku 26. Dla wyznaczania fal hipotetycznych opracowano program komputerowy „Fala” (mat. źródłowe).
Obliczanie fal wykonano metodą opracowaną przez Katedrę Hydrologii i Gospodarki Wodnej Politechniki Warszawskiej [Popielarz-Deja 1971].
Średnie wartości czasów wznoszenia i opadania fal rzeczywistych są zbliżone do analogicznych czasów fal hipotetycznych (tabele 26 i 27), które wynoszą odpowiednio dla Barda i Głuchołaz 46 i 26 godz.
Rys. 25. Fale hipotetyczne, rzeka Nysa Kłodzka, wodowskaz Bardo
Rys. 26. Fale hipotetyczne, rzeka Biała Głuchołaska, wodowskaz Głuchołazy
Tabela 31. Fale hipotetyczne, rzeka Nysa Kłodzka, wodowskaz Bardo
Oznaczenia
Prawdopodobieństwo przewyższenia (%)
0,02 0,1 0,2 1 10
Przepływ Qpp (m3/s) 1935 1591 1442 1095 591
Rzędne hydrogramów fal hipotetycznych
Czas t (godz.) Natężenie przepływu (m3/s)
0 105 85,9 77,9 59,1 31,9 3,9 211 173 157 119 64,3
7,9 339 278 252 192 103
11,8 486 399 362 275 148
15,7 552 454 411 312 169
19,7 644 530 480 365 197
23,6 769 632 573 435 235
27,5 977 803 728 553 298
31,5 1201 988 895 680 367
35,4 1469 1208 1095 832 449
37,4 1696 1395 1264 960 518 tw = 39,3 1935 1591 1442 1095 591
41,3 1750 1439 1304 990 534
43,3 1567 1289 1168 887 479
47,2 1347 1108 1004 762 411
51,1 1129 928 841 639 345
55,1 962 791 717 545 294
62,9 747 614 556 423 228
70,8 605 497 451 342 185
78,7 514 423 383 291 157
86,5 439 361 327 248 134 94,4 349 287 260 198 107
102,3 280 230 208 158 85,4
110,1 224 185 167 127 68,5 118 210 173 157 119 64,3
Objętość fali V (mln m
Tabela 32. Fale hipotetyczne, rzeka Biała Głuchołaska, wodowskaz Głuchołazy
Oznaczenia Prawdopodobieństwo przewyższenia (%) 0,02 0,1 0,2 1 10
Przepływ Qpp (m3/s) 646 520 466 342 167
Rzędne hydrogramów fal hipotetycznych
Czas t (godz.) Natężenie przepływu (m3/s) 0 26,3 21,2 19,0 13,9 6,80 2,9 56,8 45,7 41,0 30,1 14,7 5,8 80,5 64,8 58,1 42,6 20,8 8,7 113 90,7 81,3 59,7 29,1 11,6 132 106 94,9 69,6
fali V (mln m3)
3. MODELE PROCESÓW HYDROLOGICZNYCH I HYDRODYNAMICZNYCH DLA ZLEWNI NYSY KŁODZKIEJ
Naukowe podejście do rozwiązywania wszelkich problemów teoretycznych, filozoficznych czy rzeczywistych, charakteryzuje się z jednej strony budowaniem uproszczonych symbolicznych obrazów (procesów, zjawisk), z drugiej wykorzystaniem naukowej metodologii badawczej jako procedury opisu procesów przyrodniczych (przepływu wody) modelami matematycznymi [Radczuk i in. 1981, 1994; Kundzewicz 1985; Mierkiewicz 1993; Szymkiewicz 2000; Ficoń 2013]. Modele takie mogą być konstruowane na różnych poziomach zapewniających:
− opis zjawiska (formowanie się wezbrania na terenie zlewni);
− wyjaśnienie mechanizmów rządzących tym procesem;
− możliwość funkcjonowania systemu (np. kaskady zbiorników).
Prawidłowo zbudowany model matematyczny powinien być spójny, niesprzeczny, dobrze określony. W języku potocznym słowo model ma dwa podstawowe, zbliżone do siebie znaczenia. W pierwszym znaczeniu model jest kopią rzeczywistego oryginału, charakteryzującą się znacznym podobieństwem, zachowującą jedynie cechy istotne z pewnego określonego punktu widzenia. Drugie znaczenie pojęcia model podkreśla jego uniwersalność i w tym sensie pełni rolę wzorca, którego można użyć do analizy każdego podobnego do niego obiektu rzeczywistego. Traktując zlewnię Nysy Kłodzkiej jako system przyrodniczy, wydzielono w nim obiekty rzeczywiste – sieć rzeczną i zbiorniki wodne oraz procesy dynamiczne opisujące zdarzenia opad-odpływ. Model transformacji opadu w odpływ to procedura matematyczna służąca do obliczania natężenia przepływu, prędkości przepływu, prędkości propagacji i kształtu fali wezbraniowej jako funkcji czasu w jednym lub w wielu punktach rozmieszczonych wzdłuż osi Nysy Kłodzkiej. Wartości te, np. w przekroju Bardo, stanowią wejście do modelu hydrologiczno-gospodarczego kaskady zbiorników. Przyrodnicze systemy naturalne z działającymi wewnątrz obiektami hydrotechnicznymi charakteryzują się znacznym stopniem złożoności, a punktem wyjścia w tworzeniu modelu dla takich systemów jest cel, dla którego wyznacza się zbiór atrybutów niezbędnych dla jego realizacji.
Wzajemne relacje pomiędzy systemem rzeczywistym, wzorcem i modelem systemu ilustruje rysunek 27.
Rys. 27. Wzajemne relacje pomiędzy systemem rzeczywistym, wzorcem i modelem
Model systemu nie jest izomorficzny względem oryginału, lecz jest izomorficzny względem wzorca systemu. Modele te bazują na podstawowych zasadach zachowania masy oraz pędu i mają postać równań różniczkowych o pochodnych cząstkowych lub zwyczajnych. W kolejnych podrozdziałach przedstawione są modele, które mogą stanowić trzon koncepcyjnej struktury modelu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej. Są to:
− modele bazujące na zasadach zachowania masy i pędu (rozdz. 3.1);
− programy opracowane przez DHI, zawierające moduł hydrodynamiczny oraz konceptualny moduł hydrologiczny (rozdz. 3.2);
− środowisko obliczeniowe dla modeli hydrologicznych (rozdz. 3.3);
− modele hydrologiczno-gospodarcze (rozdz. 3.4);
− model kaskady zbiorników na Nysie Kłodzkiej (rozdz. 3.5).
3.1. Modele Saint Venanta
Do symulacji procesów zmiennych w czasie, jak odpływ ze zlewni czy propagacja fal w korytach rzek, stosuje się modele bazujące na zasadach zachowania masy i pędu. Mają one postać równań różniczkowych cząstkowych lub zwyczajnych.
Modele matematyczne są obecnie szczególnie użytecznym narzędziem rozwiązywania zagadnień propagacji fal wezbraniowych. Najogólniejszym modelem stosowanym w hydraulice cieków jest model Saint Venanta, nazywany często modelem fali dynamicznej, opisany równaniem ciągłości (2) – rysunek 28; oraz równaniem dynamicznym (3) – rysunek 29:
gdzie: A – powierzchnia przekroju czynnego; Q – natężenie przepływu; h – rzędna zwierciadła wody (nieujemna zróżnicowana przemiennie); β – współczynnik Boussinesqa (rozkład prędkości przekroju); R – promień hydrauliczny, R = A/p; p – obwód zwilżony; n – współczynnik szorstkości wg Manninga. Podstawowym narzędziem opisu i analizy przepływu jest zasada zachowania masy. W przypadku koryta rzecznego objętość cieczy pozostająca w danej chwili w odcinku kontrolnym stanowi sumę iloczynów przekrojów poprzecznych A(x, t) i długości odpowiadających im odcinków koryta (rysunek 28).
Przy zaniedbaniu wymiany masy przez dno, powierzchnię cieczy i brzegi, składniki dopływu i odpływu ujmują wymianę masy przez przekroje koryta.
Równanie dynamiczne wynika z zasady zachowania pędu. Zasada ta, zwana drugą zasadą dynamiki Newtona, stwierdza ogólnie, że ilość pędu chwili t2 jest sumą ilości pędu chwili t1, plus ilość pędu, która dopłynęła wraz z cieczą, minus ilość pędu, która odpłynęła wraz z cieczą, plus ilość pędu będąca efektem działania sił zewnętrznych [Radczuk i in. 2001].
Rys. 28. Bilans ilości masy w odcinku kontrolnym koryta [Radczuk i in. 2001]
Ilość pędu kontrolnej objętości koryta stanowi sumę iloczynów mas poszczególnych cząstek cieczy przez ich prędkość, co można wyrazić jako całkę: gdzie: V – prędkość średnia; v – prędkość lokalna.
Siły zewnętrzne działające na ciecz w objętości kontrolnej (rysunek 29) dzielimy na:
− siły powierzchniowe P wyrażone jako pochodne strumieni wielkości fizycznych na powierzchni objętości kontrolnej; należą do nich przede wszystkim siły oporu P;
− siły masowe M dające się wyrazić jako całka objętościowa.
Rys. 29. Opory przepływu na powierzchni zwilżonej i w objętości cieczy [wg. Jełowicki, w: Radczuk i in. 2001]
Do sił masowych M należą:
− składowa siły ciężkości G działająca w kierunku równoległym do dna:
− oraz siła tarcia T, wyznaczona w ruchu uśrednionym za pomocą formuły Chézy-Manninga w postaci:
gdzie: k – moduł prędkości ; n – współczynnik szorstkości Manninga; s – spadek linii energii, Q – natężenie przepływu Q(x, t) =
G = –ρɡ + ∫x1 x2 A(x, h(x)sdx Q|Q| A2k2 T = ɡA (5) 1 n k = R 2 3 d βv2 dx 2ɡ s = (h + );
∫A v(y, z)dydz; v – prędkość prostopadła do płaszczyzny przekroju czynnego A.
Ze względu na złożoną geometrię koryt rzecznych, postać warunków brzegowych oraz nieliniowość równań opisujących proces propagacji fal, zależności (2) i (3) nie mają rozwiązań analitycznych. Jedynym skutecznym narzędziem stosowanym do ich rozwiązania są metody numeryczne.
Rozwiązanie układu równań (2) i (3) polega praktycznie na sformułowaniu warunków początkowo-brzegowych. Dla przepływu ustalonego przyjmuje się zestaw warunków brzegowych ze stałą wartością przepływu na wlocie i zależną od typu związku Q(H) w przekrojach na wyjściu. Otrzymane w ten sposób rozwiązanie nie zależy od przyjętego warunku początkowego.
Dla przepływu nieustalonego wymagane jest przyjęcie warunku początkowego i brzegowych w postaci hydrogramów fali wejściowej. Jak wykazują doświadczenia, model fali dynamicznej zapewnia dobrej jakości wyniki w przypadkach, gdy spełnione są założenia, przy których wyprowadzono równania [Kundzewicz 1985; Mierkiewicz 2002; Radczuk i in. 2001; Szymkiewicz 2002, 2010]:
− przepływ wody w korycie rzecznym jest zjawiskiem jednowymiarowym, tzn. że zdecydowanie dominuje składowa wektora prędkości, skierowana wzdłuż osi podłużnej cieku, a rozkład prędkości w przekroju poprzecznym jest jednostajny;
− spadek podłużny dna jest mały (tanφ ≈ sinφ), co pozwala na zastąpienie głębokości odległością liczoną w pionie od dna do zwierciadła wody;
− obowiązuje hydrostatyczne prawo zmiany ciśnienia w pionie;
− straty energii spowodowane tarciem oblicza się jak w ruchu ustalonym. Sposoby prezentacji wyników rozwiązań przedstawia rysunek (30).
Rys. 30. Sposoby prezentacji rozwiązań równań przepływu nieustalonego
Model fali dynamicznej wymaga stosowania złożonych metod rozwiązywania oraz odpowiednich danych charakteryzujących zarówno stan koryta, jak i warunki przepływu. Układ równań Saint-Venanta jest modelem o parametrach rozłożonych, który rozwiązuje się metodą różnic skończonych. Z tego powodu w węzłach obliczeniowych (przekrojach), rozmieszczonych wzdłuż osi cieku, należy znać podstawowe parametry przekroju występujące w równaniach (2) i (3), takie jak współczynnik szorstkości, np. wg Manninga. W przypadku, kiedy materiał budujący koryto jest zróżnicowany, stosuje się tzw. zastępczy współczynnik szorstkości wyrażony w postaci:
gdzie: pi – część obwodu zwilżonego o szorstkości ni; k – parametr przyjmowany jest różnie, najczęściej jako wielkość 1 (zwykła średnia ważona), 2/3 lub 2.
Tak rozumiana szorstkość zastępcza jest funkcją długości obwodu zwilżonego. W przypadku wystąpienia przepływów szybkozmiennych, gdzie w rozwiązaniu są spodziewane nieciągłości, równania (2) i (3) powinny być zapisane w tzw. postaci zachowawczej [Radczuk i in. 2001]:
βV 2 A + P)
gdzie: oznaczenia jak w równaniu 2 i 3; lub półzachowawczej:
A2k2 + = qb (vb + V) + P0 + ɡA ( ) ∂Q
βV 2 A ∂x
A2k2 + + + qb (vb + V) + ɡA ( )
∂x
gdzie: qb – dopływ lub odpływ boczny.
Układ równań (2) i (7) należy stosować, gdy występuje:
− przepływ w górę rzeki – wezbranie sztormowe;
− piętrzenia wywołane budowlą piętrzącą lub dopływem skupionym;
− bardzo mały spadek podłużny (s ≤ 0,005);
− gwałtowny zrzut wody ze zbiornika lub katastrofa zapory. W przypadku analizy zagrożenia powodziowego, gdy interesują nas maksymalne stany wody i natężenia przepływów, można stosować uproszczone modele w postaci fali kinematycznej. Uproszczenie polega na pominięciu w równaniu dynamicznym (3) dwóch sił ciężkości i tarcia. Model fali kinematycznej opisuje wówczas równanie ciągłości w postaci:
gdzie:
Wielkość C jest tzw. prędkością kinematyczną fali. Współczynniki a i m, określone wg równania Manninga, wynoszą m = 3/5, natomiast a wyznacza się z zależności:
Wstawiając a i m do wzoru na prędkość fali otrzymamy:
oznacza to, że fala kinematyczna przemieszcza się w cieku z prędkością większą od prędkości średniej.
Zastosowanie modelu fali kinematycznej nie zapewnia efektu spłaszczenia fali wezbraniowej i jest ograniczone do przypadku, gdy krzywa natężenia przepływu Q(H) jest jednoznaczna, tzn. nie występuje z histerezą, jak również nie występuje efekt cofki.
Ogranicza to zastosowanie modelu do pojedynczych odcinków rzeki i spływu powierzchniowego w zlewni, gdy wezbranie narasta wolno, spadki są znaczne, a tłumienie fali jest bardzo małe.
Drugim uproszczonym modelem Saint-Venanta jest model fali dyfuzyjnej. W modelu tym uwzględnia się w równaniu dynamicznym siłę tarcia, ciężkości oraz siłę naporu hydrostatycznego. Pozwala on na uzyskanie efektu cofki, lecz w sposób niezgodny z procesem fizycznym. Model daje mało dokładne wyniki dla szybko narastających wezbrań [Szymkiewicz, Gąsiorowski 2010].
Użytkowe modele opracowywane w wersji prognostycznej i symulacyjnej to zwykle pakiety programów komputerowych, możliwych do zastosowania dla dowolnego odcinka rzeki w celu rozwiązania problemów przepływu wody.
3.2. Modele MIKE 11 opracowane przez Danish Hydraulic Institute (DHI)
Pakiet opracowany przez DHI [MIKE 11 2008] służy do modelowania dynamiki wód powierzchniowych i obejmuje moduły:
− Hydrodynamiczny (MIKE 11 HD), który zawiera kompletny (1D i 2D) nieliniowy model przepływu w kanale w postaci równań Saint-Venanta. Rozwiązywany jest numerycznie dla zadanych warunków brzegowych (rozdz. 3.1). Zawiera również modele uproszczone, jak model fali dyfuzyjnej, kinematycznej i model przepływu ustalonego. W wymienionych modelach uwzględnia się istniejące na ciekach przelewy, przepusty, a także elementy zdefiniowane przez użytkownika.
− Hydrologiczny (MIKE 11 NAM), który zawiera deterministyczny, konceptualny model o parametrach skupionych lądowej fazy cyklu hydrologicznego. Odpływ ze zlewni obliczany jest metodą hydrogramu jednostkowego.
3.2.1. Opis modelu MIKE 11 NAM
Model MIKE 11 NAM jest modelem konceptualnym o parametrach skupionych. Twórcami modelu są naukowcy z Politechniki Duńskiej, a jego modyfikacje przeprowadzili pracownicy DHI – Water & Environment. Matematyczne zależności opisują w uproszczonej formie fazę lądową cyklu hydrologicznego. Model ma strukturę zbiornikową i działa na zasadzie ciągłego obliczania zawartości wilgoci w czterech różnych, wzajemnie powiązanych zbiornikach, reprezentujących cztery formy retencji: śniegową, powierzchniową, gruntową i podziemną (rysunek 31). Zależności pomiędzy poszczególnymi formami retencji opisane są zarówno równaniami fizycznymi, jak i empirycznymi. Parametry i zmienne równań wyznaczane są jako wartości średnie. Poniżej przedstawiono krótki opis poszczególnych zbiorników:
A. Zbiornik śniegowy to opcjonalny, dodatkowy zbiornik, dzięki któremu obliczane są parametry akumulacji i topnienia pokrywy śnieżnej. W przypadku zastosowania tej procedury należy dostarczyć dodatkowych danych dotyczących temperatury powietrza.
B. Zbiornik powierzchniowy reprezentuje opad akumulowany przez roślinność, w obniżeniach terenu i w wierzchniej warstwie gruntu. Maksymalna pojemność tego zbiornika określana jest za pomocą parametru Umax. Zawartość wody w zbiorniku powierzchniowym U zmniejsza się w wyniku parowania i odpływu podpowierzchniowego.
C. Zbiornik gruntowy reprezentuje zawartość wody w strefie korzeniowej L, czyli wilgotność warstwy gleby, z której roślinność pobiera wodę na transpirację. Jego maksymalną pojemność charakteryzuje parametr Lmax.
D. Zbiornik podziemny reprezentuje wody występujące poniżej zbiornika gruntowego. Opisany może być na dwa sposoby: jako standardowy zbiornik liniowy, z którego odpływ jest zależny od przyjętej stałej czasowej, bądź też jako płytki zbiornik podziemny, gdzie wprowadzona jest dodatkowo głębokość zwierciadła wody podziemnej. Stosowanie drugiego sposobu zalecane jest przez autorów w przypadku zlewni nizinnych o małej zmienności rzeźby terenu (rysunek 31). Uwzględnione w modelu zbiorniki opisywane są równaniami empirycznymi.
Rys. 31. Struktura modelu MIKE 11 NAM [A modeling system for rivers and channels, Reference Manual, DHI 2008]
A. Zbiornik śniegowy
Akumulację i topnienie pokrywy śnieżnej opisuje równanie (13). Zawartość zbiornika śniegowego opróżnia się według wskaźnika Qmelt i trafia do zbiornika powierzchniowego.
CSNOW (T – T0) dla T > T0 Qmelt = { 0 dla T ≤ T0 (13)
gdzie: CSNOW – współczynnik stopień-dzień (mm/°C/dzień), (2-4 mm/°C/dzień); T – temperatura powietrza (°C); T0 – temperatura graniczna (°C).
B. Zbiornik powierzchniowy
Odpływ powierzchniowy (PN) występuje po wypełnieniu retencji powierzchniowej (U > Umax).
QOF oznacza tę część nadmiaru wody (PN), która zasila odpływ powierzchniowy. Zakłada się, że QOF jest proporcjonalny do PN i zmienia się liniowo zależnie od napełnienia zbiornika gruntowego (L/Lmax). Proces ten opisuje równanie:
QOF = { 0
CQOF PN L/Lmax – TOF
1 – TOF
dla L/Lmax > TOF
dla L/Lmax ≤ TOF
gdzie: CQOF – współczynnik odpływu powierzchniowego (-); TOF – wartość progowa dla odpływu powierzchniowego (-).
Zakłada się, że część wody pochodząca z nadmiaru wody (PN), która nie zasila odpływu powierzchniowego (QOF), infiltruje do zbiornika gruntowego, czyli strefy aeracji. Ta część wody (∆L) zwiększa napełnienie zbiornika gruntowego L. Pozostała część, pochodząca z nadmiaru wody PN, infiltruje głębiej (G) i zasila zbiornik wód podziemnych, czyli strefę saturacji, wg równania:
L = PN – QOF – G
Wielkość odpływu podpowierzchniowego (QIF) jest proporcjonalna do zawartości wilgoci w zbiorniku powierzchniowym (U) i zmienia się liniowo w zależności od napełnienia zbiornika gruntowego (L/Lmax) według zależności:
QIF = { 0
(CKIF)–1 U L/Lmax – TIF
1 – TIF
dla L/Lmax > TIF
dla L/Lmax ≤ TIF
gdzie: CKIF – stała czasowa dla odpływu podpowierzchniowego (godz.); TIF – wartość progowa zbiornika gruntowego dla odpływu podpowierzchniowego (-).
Zarówno odpływy powierzchniowy, jak i podpowierzchniowy podlegają transformacji.
Odpływ podpowierzchniowy jest transformowany poprzez dwa szeregowe zbiorniki liniowe z tą samą stałą czasową CK12. Transformacja odpływu powierzchniowego również bazuje na koncepcji liniowych zbiorników, lecz ze zmienną stałą czasową wg zależności:
CK12
CK12 ( ) OF OFmin CK = { –β
gdy OF < OFmin
gdy OF ≥ OFmin
gdzie: OF – odpływ powierzchniowy (mm/godz.); OFmin – górna granica dla transformacji liniowej (OFmin = 0,4 mm/godz.); CK12 – stałe czasowe (godz.); β – stały współczynnik (β = 0,4).
W praktyce transformacja odpływu powierzchniowego odpowiada opisowi fali kinematycznej, podczas gdy odpływ podpowierzchniowy transformowany jest za pomocą zbiornika liniowego.
Ilość wody potrzebna na ewapotranspirację jest w pierwszej kolejności pobierana ze zbiornika powierzchniowego. Jeżeli zawartość wody w tym zbiorniku (U) jest niewystarczająca (U < Ep), wówczas brakująca część jest pobierana za pośrednictwem korzeni roślin ze zbiornika gruntowego (Ea). Ewapotranspiracja aktualna (Ea) jest proporcjonalna do ewapotranspiracji potencjalnej (Ep), zmienia się liniowo w zależności od napełniania zbiornika gruntowego (L/Lmax) wg równania:
EA = (EP – U) L/Lmax
gdzie: Ea – ewapotranspiracja aktualna (mm); Ep – ewapotranspiracja potencjalna (mm); U – zawartość wody w zbiorniku powierzchniowym (mm); L/Lmax – napełnienie zbiornika gruntowego (-).
C. Zbiornik gruntowy
Proces infiltracji i zasilania wód podziemnych opisany jest zależnością (19). Wielkość wód infiltracyjnych (G) zasilających zbiornik wód podziemnych zależy od napełnienia zbiornika gruntowego (L/Lmax).
L/Lmax – TG 1 – TG
dla L/Lmax ≤ TG (PN – QOF) G = { 0
dla L/Lmax > TG
(19)
gdzie: PN – nadmiar wody ze zbiornika powierzchniowego (-); L/Lmax – napełnienie zbiornika gruntowego (-); TG – wartość progowa zbiornika gruntowego dla zasilania podziemnego (-).
D. Zbiornik podziemny
Poziom wód podziemnych wyznaczany jest na zasadzie ciągłego wyznaczania zależności wielkości zasilania (G), podsiąku kapilarnego (CAFLUX), poboru wód podziemnych (GWPUMP) oraz odpływu podstawowego (BF). Obliczenia podsiąku kapilarnego oraz poboru wód podziemnych są opcjonalne. Obliczenia zasobów zbiornika podziemnego mogą być wykonywane na dwa sposoby. (18)
Pierwszy opiera się na koncepcji prostego zbiornika liniowego, którego parametrem jest stała czasowa CKBF wg zależności:
BF = {0
H (CKBF)–1
dla H ≥ 0
dla H < 0
gdzie: CKBF – stała czasowa odpływu podstawowego (godz.); H – stan wody w zbiorniku podziemnym.
Drugi sposób bazuje na obliczeniach płytkiego zbiornika wód podziemnych. Odpływ podstawowy jest wtedy wyznaczany zgodnie z zależnością:
BF = {0
(GWLBFO – GWL) Sy (CKBF)–1
dla GWL ≤ GWLBFO
dla GWL > GWLBFO
gdzie: CKBF – stała czasowa odpływu podstawowego (godz.); GWL – głębokość zwierciadła wody podziemnej (m); GWLBFO – maksymalna głębokość zwierciadła wody podziemnej, przyczyniająca się do odpływu podziemnego (m); Sy – współczynnik odsączalności.
Metoda ta jest polecana przez autorów dla obszarów nizinnych z małą zmiennością topograficzną. Występujący tu podsiąk kapilarny zależy głównie od rodzaju gruntu i od głębokości zwierciadła wody podziemnej (GWL) oraz od napełnienia zbiornika gruntowego (L/Lmax); wyrażany jest w mm/dzień:
CAFLUX = √1 – L/Lmax
GWLFL1 ( )
GWL –α
gdzie: GWLFL1 – głębokość zwierciadła wody podziemnej, dla której podsiąk kapilarny wynosi 1 mm/dzień, zbiornik wód gruntowych jest pusty (m); L/Lmax –napełnienie zbiornika gruntowego (-); α – współczynnik, wyrażany wzorem α = 1,5 + 0,45 GWLFL1
Poniżej podano podstawowe parametry modelu MIKE 11 NAM oraz zakres ich wartości.
Parametr Jednostka Przedział wartości
Umax maksymalna pojemność zbiornika powierzchniowego (mm) 5-35
Lmax maksymalna pojemność zbiornika gruntowego (mm) 50-400
CQOF współczynnik odpływu powierzchniowego (-) 0-1
CKIF stała czasowa dla odpływu podpowierzchniowego (godz.) 200-2 000
Parametr Jednostka Przedział wartości
CK12 stałe czasowe (godz.) 3-72
TOF wartość progowa dla odpływu powierzchniowego (-) 0-0,9
TIF wartość progowa zbiornika gruntowego dla odpływu podpowierzchniowego (-) 0-0,9
TG wartość progowa zbiornika gruntowego dla zasilania podziemnego (-) 0-0,9
CKBF stała czasowa odpływu podstawowego (godz.) 500-5 000
3.3. Transformacja opadu w odpływ z wykorzystaniem środowiska obliczeniowego modelem HYDROPATH
W Centrum Modelowania Powodzi i Suszy IMGW-PIB (Oddziału Wrocławskiego i Krakowskiego) opracowano wspólnie ze specjalistami z Politechniki Wrocławskiej i Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu nowoczesne środowisko obliczeniowe dla modeli hydrologicznych. Zawiera ono:
− moduł procedury transformacji opadu w odpływ o różnej złożoności przestrzennej i funkcjonalnej;
− moduł optymalizacji, kalibracji i walidacji parametrów modeli oraz oceny jakości wyników.
Język opisu w budowanym narzędziu prognostycznym przyjęto na poziomie na tyle ogólnym, by udało się za jego pomocą wyrażać znane modele, analizować ich strukturę i dobierać optymalne wartości ich parametrów. Do kalibracji i walidacji modelu wykorzystano dane hydrologiczno-meteorologiczne z lat 1961-2010.
Model HYDROPATH uwzględnia warunki klimatyczne, geomorfologiczne i hydrologiczne zlewni. Przyjęta struktura modelu jest zgodna z promowaną obecnie w literaturze koncepcją integracji różnych struktur modelowych za pomocą ram strukturalnych z wykorzystaniem zalet i ograniczeń poszczególnych rozwiązań. Podejście to wynika ze złożoności procesów przyrodniczych, niepozwalających na budowę modeli uniwersalnych. Szczegółowy opis metody opracowania takiego narzędzia został przedstawiony na II Krajowym Kongresie Hydrologicznym [Szalińska i in. 2014]. Relacje poszczególnych elementów struktury przedstawiono na rysunku 32.
Cele użytkowe opracowanego środowiska obliczeniowego modelu HYDROPATH obejmują:
− prowadzenie analiz porównawczych wyników obliczeń transformacji opadu w odpływ, uzyskanych różnymi metodami oraz przy różnym stopniu rozłożenia parametrów modelu;
− ocenę niepewności prognoz wielkości odpływu;
Rys. 32. Środowisko obliczeniowe modelu HYDROPATH
− definiowanie nowych zadań operacyjnych (prognoza dopływu do zbiornika, prognoza warunków brzegowych dla modeli hydrodynamicznych, wariantowa prognoza odpływu dla zadanych scenariuszy meteorologicznych, prognoza dla zlewni niekontrolowanych).
HYDROPATH pozwala na wdrożenie wyników wieloletnich prac badawczych prowadzonych w ramach działalności statutowej IMGW-PIB. Na obecnym etapie prac środowisko obliczeniowe tego modelu zawiera narzędzia do budowy i eksploatacji modeli typu opad-odpływ o parametrach skupionych i częściowo rozłożonych, rekomendowanych do celów operacyjnych przez ośrodki naukowe krajowe i zagraniczne. Pozwala również na przygotowanie i użytkowanie modelu o konfiguracji dobranej do danego obiektu modelowania i na elastyczne reagowanie na zmiany w warunkach pracy modelu. Umożliwia on także poszerzanie zakresu danych operacyjnych w ramach rozwoju sieci techniczno-pomiarowej PSHM, przy zachowaniu jednego systemu obsługi. W monografii proponuje się wykorzystanie tego środowiska obliczeniowego do wyznaczania hydrogramów odpływu w zlewniach niekontrolowanych pod względem hydrologicznym. Jest to szczególnie istotne w ocenie formowania się wezbrań na ciekach Świdna, Widna i Raczyna, które bezpośrednio zasilają kaskadę zbiorników Otmuchów-Nysa. Potwierdzeniem tego są wezbrania z lat 1977, 1997, 2006 i 2009, w czasie których odpływy ze zlewni Jesiennika były znaczące.
3.4. Modele hydrologiczno-gospodarcze
Przedstawione w rozdz. 3.1-3.3 modele opisują lądową fazę cyklu hydrologicznego. Modele charakteryzujące nie tylko procesy związane z naturalnym obiegiem wody w zlewni, lecz również różnorodne formy działalności gospodarczej powodujące zmianę przebiegu bądź natężenie procesów przyrodniczych, określa się jako modele hydrologiczno-gospodarcze.
Modele te, zarówno z punktu widzenia ich struktury, jak i celu, są modelami innego typu niż powszechnie stosowane w Polsce modele wodno-gospodarcze. W tych ostatnich opis zasobów wodnych ogranicza się zwykle do wykorzystania informacji zawartej w historycznych ciągach przepływów, bez zagłębiania się w fizyczną stronę procesów decydujących o wielkości przepływów, ich współzależności i rozkładzie w czasie i w przestrzeni.
Różnice między modelami wodno-gospodarczymi a hydrologiczno-gospodarczymi sięgają jednak głębiej, co jest szczególnie widoczne w gospodarce wodnej na zbiornikach retencyjnych, np. podczas przepływów wezbraniowych, gdzie zasadnicze znaczenie ma wyznaczenie optymalnego algorytmu sterowania przejściem fali powodziowej przez zbiornik [Kosierb, Bartosiewicz 1993; Karbowski, Malinowski 1995; Kosierb 2007a, 2008a, 2014].
Transformacja fali przechodzącej przez zbiornik może być opisana równaniem retencji. Pojemność zbiornika zależy od kształtu czaszy zbiornika oraz od rzędnej piętrzenia. W przypadku przejścia fali wezbraniowej uzasadnione jest pominięcie struktury przepływu wewnątrz zbiornika [Szymkiewicz, Gąsiorowski 2010]. Takie założenie pozwala pominąć analizę pola prędkości w zbiorniku i sprowadzić zagadnienie dynamiki do problemu zmian jego napełnienia. Zmiana masy wody w zbiorniku, zgodnie z zasadą zachowania masy, może się odbywać przez powierzchnie ograniczające zbiornik (czasza i powierzchnia zbiornika) oraz przekroje na wlocie i wylocie ze zbiornika. Zasadę tę wyraża równanie:
∫∫∫W ρdW + ∫∫A0 ρvndA0 = 0 d dt (23)
gdzie: t – czas, – gęstość wody, W – objętość zbiornika, A0 – powierzchnia ograniczająca (A1, A2, A3, A4), v – wektor prędkości, n – jednostkowy wektor normalny do powierzchni A skierowany na zewnątrz.
Przy przyjęciu stałej gęstości cieczy wzór (23) stanie się równaniem zachowania objętości wody w zbiorniku. Pierwszy człon równania przedstawia zmianę objętości wody w czasie, drugi uwzględnia:
A1 – powierzchnię przekroju czynnego, przez który woda odpływa ze zbiornika;
A2 – powierzchnię przekroju czynnego, przez który woda wpływa do zbiornika;
A3 – powierzchnię zwierciadła wody, na której może wystąpić opad i parowanie;
A4 – powierzchnię czaszy, przez którą woda infiltruje do wód gruntowych.
Przepływ przez te powierzchnie ograniczające jest sumą w postaci:
A0 vndA = ∫∫A1 ρvndA + ∫∫A2 ρvndA + ∫∫A3 ρvndA + ∫∫A4 ρvndA (24)
Po podstawieniu powyższych wyrażeń do równania (23) otrzymujemy bilans wodny zbiornika:
D(t) – q(t) – E(t) + P(t) – G(t)
gdzie: D(t) – dopływ do zbiornika; q(t) – odpływ ze zbiornika; E(t) – parowanie z powierzchni lustra wody zbiornika; P(t) – opad na powierzchnię lustra wody; G(t) – infiltracja do wód gruntowych.
Najczęściej w bilansie krótkoterminowym (np. w czasie wezbrań powodziowych) pomija się parowanie, opad i infiltrację, co pozwala zapisać równanie bilansu w postaci:
= D(t) – q(t) dW dt
Między dopływem i odpływem ze zbiornika zachodzą następujące relacje:
− jeśli D(t) = q(t), to dW/dt = 0, stała objętość wody w zbiorniku;
− jeśli D(t) < q(t), to dW/dt < 0, opróżnianie zbiornika;
− jeśli D(t) > q(t), to dW/dt > 0, napełnianie zbiornika.
(26)
Transformację fali przez urządzenia zrzutowe na zbiorniku opisano uproszczonym równaniem Saint-Venanta, modelem o parametrach skupionych, wykorzystując prawo zachowania masy.
3.5. Model kaskady zbiorników na Nysie Kłodzkiej
Podstawowy scenariusz transformacji fali przez kaskadę został opracowany przez autora [Kosierb 2004] po katastrofalnym wezbraniu w 1997 roku, które zweryfikowało dotychczasowe zasady eksploatacji tych zbiorników. Zgodnie z przyjętymi kryteriami i założeniami, model transformacji fali przez kaskadę Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa uwzględnia następujące relacje między nimi:
− maksymalne wykorzystanie rezerw powodziowych (stałej, forsowanej i ewentualnie przygotowanej) na zbiorniku Otmuchów;
− indywidualne sterowanie zbiornikami w kaskadzie Otmuchów i Nysa na podstawie deterministycznej prognozy dopływu do tych zbiorników;
− uwzględnienie czasu przejścia fali między zbiornikiem Otmuchów a zbiornikiem Nysa;
− dla zbiornika Nysa prognozą dopływu jest odpływ ze zbiornika Otmuchów, powiększony o dopływ ze zlewni różnicowej między zbiornikami, tj. dopływem bocznym z Białej Głuchołaskiej bezpośrednio do zbiornika oraz niekontrolowanych pod względem hydrologicznym przepływów rzek Świdnej, Widnej i Raczyny, uchodzących do Nysy Kłodzkiej między zbiornikiem Otmuchów i Nysa;
− unikanie nałożenia się maksymalnych zrzutów ze zbiornika Nysa na szczyt fali odrzańskiej.
Równanie różniczkowe zwyczajne względem czasu ze zdefiniowanymi warunkami brzegowymi i początkowymi (równanie retencji) dla zbiornika ma postać:
gdzie: W – chwilowa objętość wody w zbiorniku (m3); Q – chwilowy dopływ do zbiornika (m3/s); q – chwilowy odpływ ze zbiornika (m3/s); t – czas (t).
W równaniu retencji (27) występują trzy funkcje Q(t), q(t) i W(t) Funkcja Q(t) reprezentuje dopływ do zbiornika i jest znana z obserwacji historycznych lub z prognozy hydrologicznej jako hydrogram fali wezbraniowej (wejście). Fala ta jest przekształcana przez zbiornik w funkcję odpływu q(t) (hydrogram odpływu-wyjście). Odpływ ze zbiornika zależy od pojemności zbiornika oraz wydatku jego urządzeń zrzutowych w funkcji stopnia ich otwarcia i napełnienia zbiornika.
Zmianę objętości wody w zbiorniku dW można wyrazić poprzez zmianę napełnienia dh w następujący sposób:
W dW = F (28)
gdzie: F – pole powierzchni zbiornika na poziomie zwierciadła wody (m2).
Po podstawieniu równania (28) do równania (27) otrzymujemy: (27) = Q(t) – q(t)
F(h)dh dt = Q(t) – q(t)
stąd: Z równania (29) wynika, że poziom wody w zbiorniku będzie stały tak długo, jak długo będzie spełniony warunek Q(t) = q(t) Rosnący dopływ Q(t) przy stałym odpływie q(t) spowoduje wzrost napełnienia zbiornika proporcjonalny do dopływu Q(t) i odwrotnie proporcjonalny do powierzchni zbiornika. Fala rozpływa się po powierzchni zbiornika przy znacznie mniejszym odpływie, gdyż rzędna zwierciadła wody h zmienia się w małym przedziale. Dla zbiornika Otmuchów równanie retencji (27) przy uwzględnieniu zrzutu upustami dennymi i przelewem przyjmuje postać:
Najprostszą metodą rozwiązania równania (30) jest stosowany powszechnie niejednorodny schemat trapezów, wówczas:
– Wi
gdzie: Wi, Wi+1 – zmiana objętości na zbiorniku w przedziale czasu ∆t; Q(t) – dopływ do zbiornika Qi + Qi+1 2 ; qu(t) – zrzut upustami ze zbiornika ; qp(t) – zrzut przelewem stałym qpi + qpi+1 2 ; Δt – przedział czasowy = 1 godz.; T – czas trwania wezbrania, i = 1, …, T. Ponieważ zarówno Wi+1, jak i qui+1 oraz qpi+1 zależą od hi+1, to nieliniowe równanie (31) rozwiązuje się przybliżoną metodą iteracyjną Newtona. W sterowaniu założono, na podstawie dotychczasowych wieloletnich badań i doświadczeń, że zbiornik Otmuchów będzie transformował falę w maksymalnie możliwym stopniu. Maksymalne wykorzystanie rezerwy forsowanej (ponad rzędną korony przelewu stałego) wystąpi wtedy, kiedy będą zamknięte segmenty przy przelewie stałym i upusty denne w zaporze zbiornika.
Analogicznie dla zbiornika Nysa równanie retencji przyjęto w postaci:
dh dt 1 F(h) (Q(t) – q(t)) (29) (30) (32) (31) dWOT dt = Q(t) – (qu(t) + qp(t)) dWNS dt = Qu(t) + Qp(t) + Qb(t) – qs(t) = + –
gdzie: Qu(t) – dopływ do zbiornika Nysa z upustów dennych zbiornika Otmuchów Qui + Qui+1 2 ; Qp(t) – dopływ do zbiornika Nysa z przelewu zbiornika Otmuchów Qpi + Qpi+1 2 ;
Qd(t) – dopływ do zbiornika Nysa z Białej Głuchołaskiej, Świdnej, Widnej i Raczyny Qbi + Qbi+1 2 ; qs(t) – zrzut ze zbiornika Nysa qsi + qsi+1 2 .
Wersja komputerowa modelu kaskady zbiorników Nysy Kłodzkiej ModAdmin [Szczegielniak, Szczegielniak 2013] składa się z dwóch modułów:
− modułu transformacji służącego do wprowadzenia oraz podglądu danych wejściowych hydrogramów fal;
− modułu do sterowania zrzutami ze zbiorników Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa.
Moduł transformacja udostępnia podgląd, edycję oraz wprowadzenie hydrogramów wejściowych dla Nysy Kłodzkiej w przekroju wodowskazowym Bardo, dla Budzówki w przekroju wodowskazowym Kamieniec Ząbkowicki i dla Białej Głuchołaskiej w przekroju wodowskazowym Głuchołazy. Konfigurację urządzeń zrzutowych zbiornika uruchamia się jego nazwą, która zawiera wydatki poszczególnych urządzeń. Sterowanie polega na wybraniu urządzenia, którym chcemy sterować oraz dostosowaniu dostępnych wartości parametrów: czasu, wariantu i trybu sterowania. Drugim sposobem sterowania jest określenie maksymalnego łącznego zrzutu z danego zbiornika z wykorzystaniem automatycznego doboru sterowania wybranego urządzenia. W tym przypadku model stara się sterować odpływem pojedynczego urządzenia tak, aby nie przekroczyć zadanego łącznego wydatku ze zbiornika Q (m3/s). Można określić różne wydatki odpływu dla kolejnych godzin symulacji. Odpływem ze zbiornika można sterować, korzystając równocześnie ze scenariusza sterowania dla wszystkich dostępnych urządzeń oraz z funkcjonalności umożliwiającej określenie limitu łącznego zrzutu ze zbiornika dla jednego urządzenia zrzutowego. W Modelu ModAdmin zawarte są dane w postaci krzywych pojemności i krzywych wydatków urządzeń zrzutowych.
Rozmaitość sytuacji powodziowych oraz dokładność prognozy meteorologicznej, która jest ściśle związana z danymi wyjściowymi i metodami obliczeniowymi, sprawia, że nie jest możliwe wybranie à priori najlepszego sterowania. Dlatego w programie ModAdmin założono sterowanie przez doświadczonego operatora, a najkorzystniejszego sterowania poszukuje się na podstawie analizy wyników symulacji, a nie na podstawie technik optymalizacyjnych. Zobrazowanie przebiegu procesu napełniania zbiorników oraz odpływów, w zależności od charakterystyk hydraulicznych urządzeń zrzutowych, jest możliwe przy różnych dopływach i różnych wariantach sterowania w procesie symulacji.
Prezentowane w monografii modele matematyczne uwzględniają najważniejsze elementy wpływające na proces formowania się fali wezbraniowej, jej transformację w sieci koryt rzecznych Nysy Kłodzkiej i przez zbiorniki. Opis matematyczny modeli podany jest w postaci układu równań różniczkowych lub cząstkowych oraz zależności empirycznych. Należy jednak pamiętać, że rzeczywiste zjawiska
procesów przyrodniczych są zawsze uproszczeniem i przedstawiane są w postaci schematycznej. Szczególnie złożony system środowiska przyrodniczego poddaje się badaniom tylko dzięki modelowaniu występujących w nim relacji i procesów.
4. GOSPODARKA WODNA KASKADY ZBIORNIKÓW NYSY KŁODZKIEJ PODCZAS WEZBRAŃ POWODZIOWYCH
Charakterystykę zbiorników Otmuchów, Nysa, Topola i Kozielno zamieszczono w Załączniku II. Obejmuje ona pełną dokumentację odnośnie budowy, urządzeń zrzutowych, podziału pojemności wraz z charakterystycznymi poziomami piętrzenia, schematycznych przekrojów poprzecznych zapór, aktualnego stanu technicznego oraz ilustracji fotograficznych.
Zrównoważona Gospodarka Wodna na Zbiornikach (rysunek 33), optymalnie wykorzystująca zasoby wodne, stanowi jeden z podstawowych i najbardziej efektywnych środków utrzymania, ochrony oraz kształtowania środowiska przyrodniczego w zlewniach i w rejonie zbiorników [Szczegielniak i in. 2003; Kosierb 2008c].
Trwały i zrównoważony rozwój w gospodarowaniu zasobami wodnymi wymaga interdyscyplinarnego (Ramowa Dyrektywa Wodna) podejścia do rozwiązywania zagadnień gospodarki wodnej, wykorzystującego modele matematyczne, w tym modele sterowania zbiornikami retencyjnymi podczas wezbrań powodziowych [Lambor 1965; Findeisen 1979; Słota 1997; Szczegielniak i in. 2003; Kosierb 2004].
Sterowanie urządzeniami zrzutowymi na zbiornikach w czasie wezbrania jest nierozerwalnie związane z ryzykiem. Ponieważ „absolutna pewność w myśleniu i działaniu” nie istnieje, dlatego nie ma możliwości ustalenia bezpiecznego poziomu niepewności i bezpiecznego ryzyka na podstawie opracowanej dla każdego zbiornika instrukcji gospodarki wodnej w czasie wezbrań.
W procesie decyzyjnym można dążyć jedynie do minimalizacji poziomu niepewności, czyli skutków negatywnych ryzyka, głównie poprzez systematyczne zwiększanie kompletności i wiarygodności danych wejściowych do stosowanych
Rys. 33. Zrównoważona gospodarka na zbiornikach (ZGZ) w ujęciu społecznym, środowiskowym i gospodarki wodnej
modeli, maksymalizując w ten sposób wagę zbioru przesłanek do podjęcia decyzji (rysunek 34).
Badania nad znajomością ograniczeń człowieka w sytuacji decyzyjnej pozwoliły na sformułowanie wniosków, które umożliwiają wspomaganie decydenta przez komputer (model ModAdmin). Od wielu lat panuje wśród specjalistów zgoda [Karbowski, Malinowski 1995; Kosierb 2004, 2011, 2012a, 2014], że decydującym znaczeniem dla sterowania systemem rzecznym składającym się z wielu dopływów i zbiorników retencyjnych jest spełnienie następujących postulatów:
− system sterowania powinien się dobrze „wpisywać” w istniejącą strukturę organizacyjną czynnej ochrony przeciwpowodziowej, w której uprawnienia decyzyjne mają kierownicy zbiorników wodnych i ośrodki regionalnej administracji wodnej;
− właściwie skonfigurowana sieć pomiarowo-obserwacyjna;
− wiedza i doświadczenie operatora systemu;
− sprawne przekazywanie danych pomiarowych uzyskiwanych na bieżąco w trakcie działania systemu;
− system powinien być uodporniony na ewentualne zakłócenia, a nawet na przerwy w łączności;
− konieczność szybkiego podejmowania decyzji operacyjnych na podstawie wygenerowanych możliwych wariantów sterowań. Przedstawione w niniejszej monografii propozycje wspomagania decydenta w akcji przeciwpowodziowej bazują na dostępnych modelach matematycznych (rozdz. 3) i opracowanym modelu transformacji fali ModAdmin. Bez wątpienia każdy model systemu ze zbiornikami retencyjnymi jest układem niezwykle złożonym,
Rys. 34. Niepewność i ryzyko jako podstawowe determinanty procesu skutków sterowania pracą zbiorników w czasie wezbrań [wg Ficoń 2013 z modyfikacją autora]
działającym w krytycznych warunkach, z reguły pod presją czasu i pod ciężarem ogromnej odpowiedzialności w zakresie bezpieczeństwa zapór zbiorników i skutków wysokich odpływów w dolinie rzeki poniżej tych zbiorników.
Istniejąca na terenie zlewni Nysy Kłodzkiej kaskada zbiorników (Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa) ma niewątpliwie wpływ na przebieg procesów hydrologicznych, a więc i na środowisko. Do zmian środowiska korzystnych pod względem biologicznym [Kosierb i in. 2005, 2008] należy z pewnością poprawa mikroklimatu na skutek zwiększenia parowania i wzrostu intensywności krążenia wody, co sprzyja rozwojowi ekosystemów. Wzbogacenie obszaru zlewni Nysy Kłodzkiej poprzez zbiorniki wodne wprowadziło korzystny element do krajobrazu, a zagospodarowanie akwenów i przyległych do zbiorników terenów rozszerzyło ich użytkowanie w celach sportowych i turystycznych. Wzrost temperatury w zimie nie sprzyja tworzeniu się lodu dennego. Przy regularnym przepływie występują w zbiornikach wodnych korzystne warunki dla rozwoju fitozooplanktonu stanowiącego pokarm dla ryb. Do korzystnego oddziaływania zbiorników należy również zaliczyć łagodzenie skutków powodzi w dolinach rzek poniżej zbiorników wodnych – zwłaszcza w okresie wegetacji. Kompleksowe przedstawienie gospodarki wodnej w aspekcie środowiskowym, społecznym i gospodarki wodnej na zbiornikach w czasie wezbrań pozwoliło na opracowanie zasad sterowania systemem zbiorników Nysa, Otmuchów, Kozielno i Topola. Zasady te zostały zweryfikowane na podstawie wezbrań z 2001, 2009 i 2010 roku.
4.1. Czynniki wpływające bezpośrednio na gospodarkę wodną
Zrównoważona gospodarka na zbiornikach retencyjnych jest wynikiem współdziałania trzech aspektów: środowiskowego, społecznego i gospodarki wodnej. Szczególna rolę i znaczenie mają czynniki wpływających bezpośrednio i pośrednio na gospodarkę wodną w zlewni Nysy Kłodzkiej. W zakresie czynników bezpośrednich przedstawiono parametry techniczne zbiorników i zwrócono uwagę na hydraulikę urządzeń przy pięciu scenariuszach pracy zbiorników w czasie wezbrań powodziowych. Do czynników bezpośrednich zaliczono również prognozę meteorologicznohydrologiczną dopływu do kaskady zbiorników. Jako aspekt społeczny uwypuklono zmianę przepływu dozwolonego i odpowiednie prace hydrotechniczne wykonane na odcinku zbiornik Nysa – Lewin Brzeski, uwzględniające wymogi środowiskowe (rozdz. 4.1.4).
4.1.1. Rezerwa powodziowa stała i forsowana
Na pojemność zbiornika retencyjnego składają się z reguły: pojemność zastrzeżona, pojemność użytkowa i rezerwa powodziowa [Lambor 1962a, 1965, 1971; Dziewoński 1973]. Racjonalne wykorzystanie rezerwy powodziowej polega na zmagazynowaniu szczytu fali i przepuszczeniu podstawy fali bez retencjonowania. Zbiorniki dają więc możliwość sterowania falą powodziową pod warunkiem dobrej prognozy meteorologicznej i hydrologicznej. Sterowanie odbywa się przy pomocy urządzeń zrzutowych na zbiorniku, które umożliwiają radykalną zmianę kształtu fali wezbraniowej. Kulminacja fali jest zdecydowanie redukowana, jej podstawa ulega wydłużeniu, a objętość fali po wyjściu ze zbiornika jest pomniejszona o objętość zatrzymaną w zbiorniku.
Istotne dla gospodarki wodnej na zbiorniku w czasie przejścia wielkich wód są charakterystyczne progowe wartości odpływów ze zbiornika [Kosierb 2007a]. Są to: przepływ nieszkodliwy, dozwolony, dopuszczalny i powodziowy [wg Instrukcji gospodarowania wodą na zbiornikach Otmuchów i Nysa]. Wartości te wyznacza się na podstawie przepustowości koryta i doliny rzeki poniżej zbiornika.
Losowy charakter opadów pozostawia bardzo często mało czasu na zebranie danych z aktualnego stanu na terenie zlewni i na postawienie prognozy meteorologicznej, która jest podstawą opracowania prognozy hydrologicznej. W związku z tymi trudnościami, osoby odpowiedzialne za gospodarkę wodną na zbiornikach w okresie wezbrania są często zmuszone do podejmowania decyzji w warunkach niepewności. Na tym tle Lambor [1962a] wyróżnił pięć scenariuszy pracy zbiornika w czasie wezbrań powodziowych:
− gospodarka sztywna;
− gospodarka półsztywna;
− gospodarka przewidywana;
− gospodarka sterowana;
− gospodarka zautomatyzowana, która powinna nazywać się samoczynną, ponieważ parametry urządzeń zrzutowych i ich rzędne są tak dobrane do reżimu hydrologicznego rzeki, że po osiągnięciu poziomu urządzeń zrzutowych odpływ wód wezbraniowych ze zbiornika odbywa się bez jakichkolwiek manewrów tymi urządzeniami.
Weryfikację scenariuszy przeprowadzono na kaskadzie zbiorników Otmuchów-Nysa, przyjmując jako dopływ wezbranie z 1977 roku [Kosierb 2004].
gospodarka sztywna wg Lambora [1962a] jest najmniej ekonomicznie uzasadniona. Polega ona na wypełnieniu rezerwy przypadkowej (o ile ona istnieje), a po jej osiągnięciu nie magazynuje się dopływu w rezerwie powodziowej aż do
czasu wystąpienia dopływu większego od odpływu dozwolonego ze zbiornika. Od tego momentu odpływ ze zbiornika utrzymywany jest w wysokości odpływu dozwolonego, a nadmiar wody jest magazynowany w rezerwie powodziowej. Zmagazynowanie szczytu fali w zbiorniku następuje tylko wówczas, gdy objętość szczytu mieści się w rezerwie powodziowej. W przeciwnym razie, gdy objętość fali znacznie przewyższa objętość rezerwy powodziowej w zbiorniku, łatwo może się zdarzyć, że zbiornik zostanie napełniony zanim szczyt fali dotrze do zbiornika. Wówczas maksymalne przepływy muszą być odprowadzone bez retencjonowania.
Transformacja fali z 1977 roku tym sposobem (zastosowano odpływ dozwolony ze zbiornika Otmuchów i ze zbiornika Nysa w wysokości 250 m 3/s) spowodowałaby całkowite wypełnienie rezerwy powodziowej stałej na zbiorniku Nysa i konieczność odprowadzania większych odpływów z tego zbiornika niż odpływu dozwolonego. Z przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych wynika, że:
− zastosowanie gospodarki sztywnej na obu zbiornikach powoduje konieczność dokonania zrzutów ze zbiornika Nysa większych od odpływu dozwolonego, a tym samym powoduje zwiększone straty w dolinie Nysy Kłodzkiej;
− zadawalająca redukcja wezbrania na Nysie Kłodzkiej jest możliwa tylko wtedy, gdy na zbiorniku Otmuchów prowadzi się gospodarkę wodną maksymalnie wykorzystującą rezerwę powodziową stałą i forsowaną, a na zbiorniku Nysa gospodarkę sztywną z zastosowaniem maksymalnego odpływu ze zbiornika Nysa w wysokości 190 m 3/s;
− zdaniem autora nie powinno się stosować gospodarki sztywnej dla zbiorników Otmuchów-Nysa, szczególnie gdy istnieje dodatkowe zasilanie w wodę ze zlewni różnicowej między zbiornikami.
gospodarka półsztywna polega na magazynowaniu tylko połowy nadwyżki ponad odpływ dozwolony ze zbiornika, co daje większą pewność zretencjonowania szczytu fali w zbiorniku. Zgodnie z tą zasadą odpływ ze zbiornika jest obliczany z zależności:
Qo(t) = (Qd(t) – Qdozw) + Qdozw 1 2 (33)
gdzie: Qo(t) – odpływ ze zbiornika w chwili t (m3/s); Qd(t) – dopływ do zbiornika w chwili t (m3/s); Qdozw – odpływ dozwolony ze zbiornika (m3/s).
Przeprowadzone obliczenia symulacyjne wg zasad gospodarki półsztywnej pozwoliły na ograniczenie odpływu ze zbiornika Nysa do wartości 328 m 3/s, przy nieznacznym wykorzystaniu rezerwy forsowanej na zbiorniku Otmuchów i prawie całkowitym wykorzystaniu rezerwy stałej na zbiorniku Nysa. Znacznie lepsze efekty uzyskuje się poprzez ograniczenie odpływu ze zbiornika Otmuchów w pierwszej
fazie wezbrania do wartości minimalnej, a następnie przez wykorzystanie rezerwy powodziowej forsowanej oraz stosowanie w całym czasie trwania wezbrania zasady gospodarki półsztywnej na zbiorniku Nysa.
Z porównania wyników uzyskanych z zastosowania zasad gospodarki sztywnej i półsztywnej wynika, że dla fali z 1977 roku lepsze efekty redukcyjne na kaskadzie uzyskuje się prowadząc na zbiorniku Nysa gospodarkę sztywną, natomiast na zbiorniku Otmuchów gospodarkę wodną maksymalnie wykorzystującą rezerwy powodziowe.
gospodarka przewidywana może być stosowana tylko wówczas, gdy dysponujemy prognozą objętości dopływu i czasu trwania wezbrania. W miarę napływania meldunków i rozwoju sytuacji wezbraniowej, postawiona prognoza objętości jest korygowana. W pierwszej kolejności sporządza się bilans objętości dla stanu aktualnego zbiorników i dla stanu prognozowanego.
W wyniku przeprowadzonej symulacji dla kaskady zbiorników Nysy Kłodzkiej, wg scenariusza gospodarki przewidywanej dla wezbrania z 1977 roku, zrzut wody ze zbiornika Nysa zostałby zredukowany do 200 m3/s.
Gospodarka przewidywana daje dobre efekty w przypadku redukcji fal małych i średnich, których objętości mieszczą się w rezerwach powodziowych stałych.
Porównując trzy przedstawione metody sterowania, należy stwierdzić, że dla wezbrania, podobnego do tego z 1977 roku, największą redukcję otrzymuje się prowadząc na zbiorniku Otmuchów sterowanie wykorzystujące maksymalnie rezerwę forsowaną, a na zbiorniku Nysa gospodarkę sztywną lub przewidywaną, jeśli znana jest dokładna prognoza objętości fali i czasu jej wystąpienia [Kosierb 2004].
gospodarka sterowana (modyfikująca falę) wymaga dobrej prognozy hydrogramów fal dopływających do zbiorników i czasów przemieszczania się fali powodziowej. W przypadku stosowania tej metody na kaskadzie zbiorników Nysy Kłodzkiej, należy tak modyfikować falę zrzucaną ze zbiornika Nysa, aby nie nastąpiło nałożenie się jej na falę przemieszczającą się wzdłuż Odry. Według danych historycznych udział Nysy Kłodzkiej w przepływach maksymalnych Odry może stanowić nawet 50%. Spełniając wszystkie warunki wynikające ze stosowania gospodarki sterowanej, udział ten można ograniczyć do 20-30%. Warunkiem nieodzownym jest właściwe określenie czasów dobiegania fal Nysy Kłodzkiej i Odry. Przy ograniczaniu odpływu ze zbiornika Nysa w okresie przemieszczania się fali na Odrze, zasadniczą rolę odgrywa czas jej przejścia na odcinku od zbiornika Nysa do ujścia Nysy Kłodzkiej do Odry (wynosi on od 10,5 do 17,8 godz.). Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że czas przejścia fali od wodowskazu Miedonia do ujścia Nysy Kłodzkiej jest o około 0,5 doby dłuższy od czasu przejścia fali od zbiornika Nysa do ujścia Nysy Kłodzkiej do Odry.
Podstawowe dwa manewry, jakie można wykonać na zbiorniku retencyjnym w stosunku do dopływającej fali powodziowej, to zmniejszenie przepływu maksymalnego (Qmax) na dopływie do zbiornika oraz przesunięcie kulminacji w czasie [Grela, Wawro 1995]. Zmniejszenie Qmax ma decydujące znaczenie dla zlewni lokalnej, natomiast przesunięcie w czasie ma zasadniczy wpływ na przepływ fali wezbraniowej na Odrze [Kosierb 1999].
gospodarka samoczynna ma zastosowanie głównie na suchych zbiornikach przeciwpowodziowych ze względu na ich małą zlewnię oraz na lokalny charakter ochrony przeciwpowodziowej. Poszczególne urządzenia zrzutowe zbiornika suchego włączają się do pracy samoczynnie. W pierwszej kolejności odpływ odbywa się przez upusty denne, następnie upusty środkowe, a przy dużych wezbraniach dodatkowo przez przelewy. Zdaniem autora parametry zbiornika oraz urządzeń zrzutowych powinny być tak dobrane, aby przy pracy upustów dennych i upustu środkowego nie występowały istotne straty w dolinie poniżej zbiornika. Dopiero po włączeniu się do pracy przelewu mogą powstać straty w dolinie. Zbiorniki te mają jednak lokalne znaczenie, ponieważ chronią jedynie miejscowości położone bezpośrednio poniżej zapór tych zbiorników.
4.1.2. Prognozowanie dopływu do kaskady zbiorników
W analizie spływu powierzchniowego, który towarzyszy każdemu wezbraniu, istotne znaczenie mają historyczne zdarzenia w postaci hietogramów opadów (wejście) i hydrogramów przepływów (wyjście). Dane te stanowią podstawę dla bezpiecznego przeprowadzania wezbrania przez urządzenia zrzutowe zbiorników retencyjnych. Natomiast prognoza dopływu do zbiornika w postaci hydrogramu fali to warunek sine qua non spełnienia tego zadania. Dokładność tych prognoz jest ściśle związana ze stosowanymi metodami obliczeniowymi oraz danymi wyjściowymi, których jakość jest pochodną informacji z przeszłości. Prognozy meteorologiczne, stanowiące podstawę ilościową dla prognozy hydrologicznej, wyprzedzają zjawiska hydrologiczne, które bezpośrednio mogą skutkować powodziami. Losowość zjawisk atmosferycznych, o ogromnym stopniu złożoności w porównaniu z relatywnie istotnym determinizmem procesów hydrologicznych, powoduje, że przy właściwych metodach obliczeniowych dokładność prognoz hydrologicznych jest stosunkowo wysoka ze względu na relatywnie dużą dokładność metod hydrauliki i hydrologii (Lambor 1962a; Bobiński i in. 1978; Sawicki 2001; Banasik 2009; Kosierb, Tiukało 2012).
Dokładne określenie prognozy objętości fali i czasu jej trwania jest bardzo trudne, szczególnie w pierwszym etapie wezbrania, i wymaga stosowania metody prognostycznej transformacji opadu w odpływ.
Do roku 1997 prognoza dla dopływu powodziowego dla zbiorników wodnych na Nysie Kłodzkiej opracowywana była na podstawie operatu przygotowanego przez IMGW Oddział we Wrocławiu [Dubicki 1970; Dubicki, Malinowska 1986] Stosowana wówczas metoda analityczno-wykreślna obejmowała prognozę przepływu maksymalnego, objętości fali i kształtu fali. Dla wyznaczenia prognozowanych wartości stosowano odpowiednio:
− związki stanów wody i przepływów między poszczególnymi wodowskazami;
− metodę Lambora dla określenia objętości fali;
− nomogram Dubickiego [Dubicki, Malinowska 1986] dla wyznaczenia kształtu fali, opracowany na podstawie obserwacji z lat 1952-1983 (materiały archiwalne). Na podstawie przestrzennego rozkładu opadu, jego intensywności oraz warunków kształtowania się odpływu, wydzielono w zlewni Nysy Kłodzkiej następujące zlewnie cząstkowe, które obejmowały:
1. zlewnia I – obszar górski o powierzchni 1 084 km2 zamknięty przekrojem wodowskazowym Kłodzko;
2. zlewnia II – zlewnię rzeki Ścinawki o powierzchni 515 km2 do przekroju wodowskazowego Gorzuchów;
3. zlewnia III – obszar zlewni różnicowej o powierzchni 135 km2 od przekrojów wodowskazowych Kłodzko i Gorzuchów do przekroju wodowskazowego Bardo;
4. zlewnia IV – zlewnię rzeki Białej Głuchołaskiej do przekroju wodowskazowego Głuchołazy.
Średni czas trwania opadów, powodujących powódź w zlewni Nysy Kłodzkiej w latach 1952-1983, zmieniał się w przedziale od 14,5 do 58,5 godzin. Największe natężenie opadów, wynoszące od 4 do 41 mm/godz., występowało przeważnie w godzinach popołudniowych i wieczornych.
Średnie spadki doliny Nysy Kłodzkiej w jej górnym biegu wynoszą 9,1‰, w środkowym – 1,4‰ i w dolnym – 0,8‰. Natomiast przeciętne spadki dopływów Nysy Kłodzkiej wynoszą od 2,5 do 25,3‰. W tych warunkach spływ powierzchniowy następuje już po upływie od 2 do 3 godzin od początku opadu.
Średnioterminowa prognoza objętości fali powodziowej w przekroju wodowskazowym Bardo na Nysie Kłodzkiej polegała na wyznaczeniu współczynnika odpływu, będącego stosunkiem odpływu H (mm) do opadu P (mm) dla wyznaczonych zlewni cząstkowych.
Całkowitą objętość wody, jaka przepłynęła przez określony przekrój w danym czasie, bez względu na to czy to jest odpływ powierzchniowy czy gruntowy, opisano równaniem:
gdzie: Vc – objętość spływu powierzchniowego (mln m 3); P – opad całkowity (m);
α – współczynnik odpływu; F – powierzchnia zlewni (km2).
Całkowitą objętość fali Vc w profilu obliczano z zależności:
gdzie: T – czas przejścia fali w danym przekroju.
Dla wyznaczenia przepływu maksymalnego opracowano związek maksymalnego przyrostu przepływu w momencie kulminacji fali (Qmax) od objętości spływu powierzchniowego Vp:
Związek ten, opracowany graficznie, wyznaczał prognozę przepływu maksymalnego, jeśli trafna była prognoza objętości spływu powierzchniowego.
W latach siedemdziesiątych XX w., zgodnie z tendencjami światowymi, nastąpiła w Polsce zmiana sposobu opisu zjawisk przyrodniczych – od metod empiryczno-opisowych w kierunku metod matematycznego modelowania. W IMGW, w oddziale we Wrocławiu, wdrażanie modeli typu opad-odpływ i modeli hydrodynamicznych rozpoczęto pod koniec lat 80-tych. Były to modele autorów krajowych, które w kolejnych latach udoskonalano. Prawdziwa weryfikacja posiadanych modeli, jak również systemu pomiarowo-obserwacyjnego, miała miejsce w czasie powodzi w lipcu 1997 roku [Kosierb 1998c; Dubicki i in. 1999; Przedwojski, Wicher 1999].
Obecnie przygotowanie prognoz dla wybranych profili wodowskazowych reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 6 listopada 2008 roku w sprawie standartowych procedur zbierania i przetwarzania informacji przez państwową służbę hydrologiczno-meteorologiczną i państwową służbę hydrogeologiczną [Dz.U. Nr 225, poz.1501].
Należy zauważyć, że ustawodawca nie wymienia w dokumencie profili wodowskazowych Bardo i Głuchołazy, jako tych, na które należałoby wykonywać prognozy hydrologiczne nawet w okresie zagrożenia powodziowego. Biuro Prognoz Hydrologicznych we Wrocławiu, nawiązując do potrzeb organów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo w powiecie kłodzkim i województwie dolnośląskim oraz organu odpowiadającego za gospodarkę wodną na zbiornikach retencyjnych (RZGW we Wrocławiu), opracowuje prognozy przepływu dla wymienionych wyżej profili wodowskazowych na podstawie wdrożonego modelu MIKE 11 NAM opisanego w rozdziale 3.2.1; przykład obliczeniowy dla fali z 1997 roku przedstawiono w rozdziale 5.1. Hydrogram odpływu ze zlewni dla przekrojów wodowskazowych Bardo
i Głuchołazy obliczany jest dwa razy na dobę po otrzymaniu aktualnych prognoz opadu atmosferycznego z godziny 6 UTC i 18 UTC. Prognozy te dostępne są poprzez monitor.imgw.pl od chwili zapisania jej wyników do bazy danych IMGW-PIB (System Hydrologii), z którą monitor.imgw.pl ma bezpośrednie połączenie.
4.1.3. Hydraulika urządzeń zrzutowych zapór zbiorników
Charakterystykę badanych obiektów hydrotechnicznych wraz z wyszczególnionymi urządzeniami zrzutowymi przedstawiono w Załączniku II. Odpowiednie krzywe wydatku – na podstawie których określa się wielkość otwarcia poszczególnych urządzeń zrzutowych w oparciu na zadysponowanych odpływach ze zbiorników w czasie normalnej eksploatacji i w okresie wezbrań powodziowych – znajdują się w Instrukcji obsługi modelu kaskady zbiorników Nysy Kłodzkiej [Szczegielniak, Szczegielniak 2013]. W instrukcji zawarte są następujące charakterystyki:
− zbiornik Topola: krzywa pojemności zbiornika, krzywa wydatku przelewów, krzywa wydatku przelewu powodziowego i krzywa wydatku upustów dennych;
− zbiornik Kozielno: krzywa pojemności zbiornika i krzywa wydatku przelewu;
− zbiornik Otmuchów: krzywa pojemności zbiornika, krzywe wydatków sześciu upustów dennych o łącznym wydatku 510 m 3/s, krzywa wydatku przelewu, krzywe wydatków segmentów przy przelewie oraz dwie turbiny o łącznym wydatku 43 m 3/s. Kamienno-betonowy przelew powodziowy Ścibórz składa się z części stałej o wydatku 565 m 3/s (przy rzędnej 215 m NN) oraz części ruchomej zamykanej dwoma segmentami. Wydatek segmentów przy maksymalnej rzędnej piętrzenia 215 m NN wynosi 245 m 3/s. Łączny wydatek urządzeń zrzutowych wynosi 1 363 m3/s przy poziomie piętrzenia 215 m NN i około 2 000 m 3/s przy poziomie piętrzenia 216 m NN (patrz zał. II);
− zbiornik Nysa: krzywa pojemności, krzywa wydatku upustów dennych, krzywa wydatku segmentów na przelewie, krzywa wydatku przelewu awaryjnego. Do roku 2014 urządzeniem zrzutowym zbiornika był czteroprzęsłowy jaz zamykany segmentami o łącznym wydatku 1 880 m 3/s oraz dwie turbiny o łącznym wydatku 40 m 3/s. Największa dotychczasowa powódź na Nysie Kłodzkiej w 1997 roku zmusiła do zwiększenia wydatku urządzeń zrzutowych do 3 640 m3/s. Zostało to osiągnięte poprzez przebudowę bloku zrzutowego i wykonanie przelewu awaryjnego. Aktualne wydatki urządzeń zrzutowych wynoszą odpowiednio:
• jaz trzyprzęsłowy o wydatku 2 255 m 3/s,
• dwa upusty denne o łącznym wydatku 545 m 3/s,
• przelewu awaryjny o wydatku maksymalnym 800 m 3/s. Wody z tego prze-
lewu będą kierowane do kanału ulgi omijającego miasto Nysa. Kanał ten zostanie zrealizowany w II etapie modernizacji systemu ochrony powodziowej miasta Nysa.
4.1.4. Przepływ dozwolony
Przepływ dozwolony poniżej zbiorników retencyjnych jest jednym z podstawowych czynników wpływających na prawidłową gospodarkę wodną, a zwłaszcza na ochronę doliny przed powodzią. Analizując możliwości przepustowe odcinków rzek poniżej zbiorników, należy stwierdzić, że z upływem lat ulegają one często znacznym ograniczeniom. Powodem takiego stanu rzeczy jest z reguły nieprawidłowe zagospodarowanie terenów zalewowych. Zabudowa zbliża się coraz bardziej do koryta rzeki, co w konsekwencji powoduje jej podtapianie już przy niskich przepływach powodziowych. Powtarzające się zalewy, a w związku z tym coraz większe straty materialne, zmuszają lokalne władze do zapewnienia przez administratorów zbiorników utrzymania niskich odpływów w pierwszej fazie wezbrania, co prowadzi do szybkiego wypełnienia rezerw. Kulminacja fali powodziowej trafia wtedy na wypełnione już zbiorniki i wówczas zachodzi niestety konieczność zastosowania wysokich zrzutów, powodujących zalewanie terenów i zabudowań poniżej zbiorników retencyjnych. Sytuację taką można poprawić przez dostosowanie terenów zalewowych do przepuszczenia jak największych przepływów dozwolonych, przyjętych za podstawę gospodarki wodnej dla danego zbiornika i doliny poniżej zapory. Można to osiągnąć poprzez odpowiednie prace hydrotechniczne uwzględniające wymogi środowiskowe oraz właściwe zagospodarowanie przestrzenne terenów poniżej zbiorników retencyjnych. Tego rodzaju inwestycje są wykonywane w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zapory zbiornika Nysa (termin zakończenia inwestycji 2016 rok).
Jednym z podstawowych elementów wpływających na skuteczność i efektywność pracy zbiorników Otmuchów i Nysa jest możliwość stosowania wysokich zrzutów, które nie powodowałyby strat w infrastrukturze komunalnej miejscowości położonych poniżej zapory zbiornika Nysa [Kosierb 2007a]. Dla określenia wielkości tych zrzutów dokonano podczas wezbrania w 2001 roku zrzutu ze zbiornika Nysa w wysokości Q = 150 m 3/s. Przeprowadzona wizja terenowa pozwoliła na ocenę stanu koryta i przyległych terenów podczas tego wezbrania. Stwierdzono wystąpienie wody z koryta i zalanie gruntów ornych w rejonie Lewina Brzeskiego. Zastosowanie większego zrzutu niż 150 m 3/s zagrażałoby jednak zabudowie komunalnej w rejonie Lewina Brzeskiego i to zarówno na lewobrzeżnym, jak i na prawobrzeżnym terenie zalewowym Nysy Kłodzkiej. Rejon Lewina Brzeskiego ma podstawowe znaczenie dla wielkości dysponowanych zrzutów ze zbiornika Nysa.
W instrukcjach gospodarowania wodą i pozwoleniach wodnoprawnych zrzut dopuszczalny ze zbiornika Nysa został określony na 400 m 3/s. Powodował on jednak podczas przepływu wód wezbraniowych straty w infrastrukturze komunalnej Lewina Brzeskiego i Skorogoszczy.
Nawet stosunkowo duża rezerwa powodziowa w zbiornikach nie daje tak znaczących efektów przy redukcji fali, jak możliwość stosowania wysokich zrzutów niepowodujących strat. Tylko połączenie tych dwóch elementów, tj. odpowiednio powiększonej rezerwy powodziowej na zbiornikach Otmuchów i Nysa w terminie od 15 czerwca do 15 września (zalecane przez autora i zrealizowane po 1997 roku) oraz możliwości dokonywania bezkolizyjnych zrzutów powyżej 400 m3/s ze zbiornika Nysa, dadzą zapewne bardzo dobre efekty przy redukcji fal powodziowych. Możliwość dokonywania zrzutu dozwolonego ze zbiornika Nysa w tej wysokości, bez wystąpienia strat w zabudowie, wymaga przystosowania odcinka doliny poniżej zbiornika Nysa do tej przepustowości. Takie działania, z inicjatywy autora, zostały podjęte po roku 1997 [Kosierb 1998c, 2012b].
Brak kompleksowej i spójnej ochrony przeciwpowodziowej miasta Lewin Brzeski dla bezpiecznego przeprowadzenia przepływów powyżej 150 m3/s spowodowany był następującymi czynnikami:
− stały jaz kaszycowy, w km 13,8 rzeki Nysy Kłodzkiej, usytuowany skośnie do nurtu utrudnieniał przepływ wód wezbraniowych, powodując wypłycenia dna rzeki poprzez odkłady rumowiska powyżej jazu;
− most drogowy na trasie Lewin Brzeski – Niemodlin, w km 13,38 Nysy Kłodzkiej, miał zmniejszoną przepustowość wskutek częściowego zamulenia wszystkich przęseł mostowych;
− zablokowany był w znacznej mierze przepływ wód wezbraniowych prawostronną „ulgą” powodziową (obejście Lewina Brzeskiego) wskutek zdeformowania terenu poprzez składowanie mas ziemnych z nadkładów kopalni kruszywa;
− koryto Nysy Kłodzkiej na tym odcinku było zbyt wąskie i zbyt płytkie dla prawidłowego przeprowadzenia wód powodziowych;
− brak odpowiednich wałów przeciwpowodziowych. Przy zwiększonych rezerwach powodziowych na zbiornikach Otmuchów i Nysa można by zredukować falę z 1997 roku do wartości 600 m 3/s, bez ograniczania zrzutu w okresie przemieszczania się kulminacji na rzece Odrze, i do wartości 800 m 3/s przy ograniczeniu zrzutu ze zbiornika Nysa w czasie przemieszczania się kulminacji na rzece Odrze. Takie przepływy zostały określone w wyniku przeprowadzonych przez autora symulacji transformacji fal powodziowych przez zbiorniki Otmuchów i Nysa, a szczególnie fali z 1997 roku. Z tej analizy wynikła celowość podjęcia przebudowy i dostosowania koryta rzeki Nysy Kłodzkiej, doliny rzecznej i prawostronnego kanału ulgi do przepuszczenia zrzutów powodziowych ze zbiornika Nysa.
Dla poprawienia stanu ochrony przeciwpowodziowej Lewina Brzeskiego zostały w latach 2012-2014 zrealizowane następujące zasadnicze działania inwestycyjne [Kosierb i in. 2010, Kosierb 2012b]:
− zastąpienie wymienionego jazu stałego kaszycowego przez trójprzęsłowy jaz klapowy w 13,845 km Nysy Kłodzkiej, o maksymalnym wydatku 550 m3/s (fot. 1);
− udrożnienie koryta Nysy Kłodzkiej powyżej tego jazu na odcinku od km 13,845 do km 16,000 wraz z ukształtowaniem terenów zalewowych;
− zwiększenie przepustowości koryta i doliny Nysy Kłodzkiej poniżej tego jazu na odcinku od km 11,000 do km 13,845 poprzez odpowiednie ukształtowanie terenów zalewowych;
− udrożnienie mostu drogowego w km 13,380;
− wykonanie w km 15,250 gabionowej budowli przelewowej na wlocie do kanału ulgi powodziowej Nysy Kłodzkiej o maksymalnej przepustowości 250 m 3/s;
− udrożnienie kanału tej ulgi powodziowej (fot. 2);
− budowa nowych wałów przeciwpowodziowych i modernizacja istniejących.
Fot. 1. Jaz klapowy na Nysie Kłodzkiej – widok od dolnej wody
Fot. 2. Udrożnienie kanału ulgi powodziowej w rejonie mostu drogowego na trasie Lewin Brzeski – Niemodlin (widok od górnej wody)
Po zrealizowaniu tych inwestycji hydrowęzeł Lewin Brzeski został przystosowany do gospodarki wodnej kaskady zbiorników Nysy Kłodzkiej poprzez zwymiarowanie go na przepływ miarodajny Qm = 600 m 3/s i na przepływ kontrolny Qk = 800 m 3/s. Zabezpieczenie Lewina Brzeskiego na te zwiększone przepływy umożliwi dokonywanie wcześniejszych wysokich odpływów ze zbiornika Nysa jeszcze przed nadejściem szczytu fali, dając tym samym większe możliwości redukcji przepływów na samej Odrze.
4.2. Czynniki wpływające pośrednio na gospodarkę wodną
Jako czynniki wpływające pośrednio przedstawiono wpływ transportu rumowiska na zmianę pojemności zbiorników na przestrzeni lat (rozdz. 4.2.1). Nysa Kłodzka wraz z Odrą tworzą ważny system rzeczny ochrony przeciwpowodziowej i zasilania Odrzańskiej Drogi Wodnej (rozdz. 4.2.2). Zwrócono szczególną uwagę na konieczność zakończenia budowy stopnia wodnego Malczyce na Odrze oraz modernizację zabudowy regulacyjnej poniżej tego stopnia. Istotnym aspektem środowiskowym jest zachowanie niezbędnej równowagi środowiska dla życia ryb i ptactwa, która realizowana jest poprzez dostosowanie poziomów piętrzenia na zbiornikach Otmuchów i Nysa do okresu lęgowego ptaków chronionych (rozdz. 4.2.3).
4.2.1. Transport rumowiska wleczonego i unoszonego
Czynnikami mającymi istotny wpływ na gospodarkę wodną na zbiornikach są transport i osadzanie się rumowiska oraz eksploatacja górnicza żwiru, powodujące zmianę ich pojemności. Badania tych skomplikowanych procesów sedymentacji, zagęszczenia i erozji namułów spoistych w zbiornikach retencyjnych mają bogatą literaturę [Parzonka 1986; ICOLD 2006; Parzonka, Kosierb 2009].
W płaskich i szerokich zbiornikach wodnych (zbiorniki Topola, Kozielno, Otmuchów, Nysa) istnieje wyraźna strefa, w której odbywa się proces odkładania rumowiska drobnoziarnistego wprowadzonego przez rzekę. Strefa ta ma z reguły znacznie mniejszą szerokość od szerokości zbiornika i charakter wstęgi o malejącej w kierunku przepływu szerokości i zasięgu [Wiśniewski 1972, 1980; Bednarczyk i in. 1982].
W pierwszej fazie eksploatacji zbiornika Otmuchów, jeszcze przez państwo niemieckie, przyjęto poziom strefy użytkowej na rzędnej 213,00 m n.p.m., a pojemność tej strefy wynosiła Vuż = 100 mln m 3 . Między tą rzędną a poziomem korony
przelewu mieściła się stała rezerwa powodziowa o pojemności Vp = 17,2 mln m 3
Między maksymalnym poziomem piętrzenia 215,00 a rzędną korony przelewu 213,60 m. n.p.m. – rezerwa powodziowa forsowana o pojemności 25,8 mln m 3
Ten podział pojemności zbiornika zmieniał się w czasie wskutek zamulenia akwenu i prowadzenia zróżnicowanej gospodarki wodnej. Zbiornik Otmuchów uległ stopniowo częściowemu zamuleniu rumowiskiem pochodzącym z procesów erozyjnych z wyżej położonych części zlewni lub abrazji brzegów zbiornika. Akumulacja osadów w czaszy zbiornika spowodowała zmianę całej pojemności akwenu i jego poszczególnych warstw, tj. pojemności martwej, użytkowej i powodziowej. Do oceny tych zmian niezbędna jest znajomość krzywych pojemności zbiornika. Pierwszą krzywą pojemności (dla stanu zerowego) opracowano w 1932 roku na podstawie warstwic ze zdjęć kartograficznych czaszy zbiornika wykonanych przed pierwszym spiętrzeniem wody. W wyniku badań przeprowadzonych przez Instytut Gospodarki Wodnej PAN w 1961 roku stwierdzono, że początkowa pojemność zbiornika wynosząca 142,9 mln m 3 zmniejszyła się do 134,5 mln m 3 [Kosierb 2010]. W czasie eksploatacji obiektu do 1961 roku całkowita pojemność uległa więc redukcji o ca 8,4 mln m 3 , co stanowi około 5% pierwotnej pojemności. W okresie 1933-1961 średnie roczne zamulenie zbiornika wynosiło 0,30 mln m 3 [Wiśniewski 1980]. Przeprowadzone w roku 1975 pomiary wykazały dalszy spadek pojemności do 124,5 mln m 3 przy rzędnej maksymalnego piętrzenia. Odpowiednio zmieniły się również pojemności poszczególnych warstw zbiornika (tabela 33, rysunek 35). Zamulanie akwenu, szczególnie intensywne w strefie warstwy powodziowej, powoduje odkładanie się rumowiska głównie w zachodniej części zbiornika i jej zarastanie. Również abrazja brzegów w tej części zbiornika dostarcza materiałów zamulających.
Rys. 35. Krzywe pojemności zbiornika Otmuchów w latach 1933, 1961, 1975 i 2001
Tabela 33. Pojemność zbiornika Otmuchów w latach 1933, 1961, 1975 i 2001
Rzędna (m n.p.m.)
Pojemność zbiornika (mln m3)
Ostatni pomiar zamulenia wykonano w 2001 roku. Wynika z niego, że pojemność zbiornika Otmuchów zwiększyła się znacznie w stosunku do stanu z 1975 roku i przy maksymalnej rzędnej piętrzenia wyniosła 130,45 mln m3. Zaobserwowane zmiany nie są niestety jednokierunkowe. W latach 1933-1975 nastąpiło zmniejszenie pojemności zbiornika o 18,4 mln m 3 głównie wskutek sedymentacji rumowiska. Natomiast w okresie 1975-2001 nastąpił wzrost, prawdopodobnie wskutek erozji namułów spowodowanej przez przepływy powodziowe (1977, 1997 rok). Przyrost pojemności nastąpił głównie w strefie użytkowej zbiornika. W celu wyjaśnienia stwierdzonych anomalii konieczne jest wykonanie powtórnej dokładnej batymetrii czaszy zbiornika we wszystkich trzech strefach gospodarki wodnej oraz pobór próbek osadów z tych stref. Uzyskane dane pozwolą na ocenę jakości i ilości rumowiska zatrzymanego, względnie wyerodowanego, w poszczególnych strefach zbiornika. W 1961 roku przeprowadzono również badania składu ziarnowego i gęstości osadów dennych [Wiśniewski 1980], wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 34.
Procentowa ilość frakcji
Tabela 34. Charakterystyka materiału dennego zbiornika wodnego Otmuchów [Wiśniewski, Ihnatowicz 1980] Nr przekroju próbki
Stwierdzono, że w miarę zwiększania się odległości od zapory wzrastała w osadach ilość materiału piaszczystego, a malała zawartość części ilastych.
Zbiornik Otmuchów wg Wiśniewskiego [1980] zatrzymuje około 90% rumowiska, tj. ca. 234 000 ton rocznie, natomiast 26 000 ton rocznie (tj. ok 11% rocznej ilości rumowiska zatrzymanego) zrzucane jest do dolnego stanowiska. Zrzut osadów może nastąpić tylko przez upusty denne. Narzuca to oczywiście główny kierunek strug transportujących części stałe, tj. od wlotu Nysy do zbiornika Otmuchów do upustów, a więc generalnie do strefy martwej. Budowla zrzutowa dla wód wielkich znajduje się wyraźnie z boku tej głównej trasy przepływu, a jej najniższy próg jest na rzędnej 210,50 m n.p.m. Zrzut wód powodziowych przez jaz może więc tylko nieznacznie wpłynąć na przebieg sedymentacji i erozji osadów w całym zbiorniku Otmuchów.
Zbiornik Nysa zlokalizowany jest poniżej zbiornika Otmuchów, co ma zasadnicze znaczenie dla ruchu i odkładania się w nim rumowiska. Został on oddany do eksploatacji w 1972 roku. Batymetrię czaszy zbiornika wykonano w latach 1972, 1978 i 2001. Stwierdzono, że w obu okresach pomiarowych 1972-1978 i 1978-2001 wystąpił wzrost pojemności, w całym zakresie czasowych 1972-2001, dla poziomu 199,00 m n.p.m., wyniósł on 15,85 mln m 3 .
Powierzchnia zlewni Nysy Kłodzkiej do przekroju zapory wynosi 3 253 km2 , w tym zlewnia różnicowa między zbiornikami Otmuchów i Nysa (901 km2), na którą składają się głównie zlewnie rzek Białej Głuchołaskiej, Widnej i Raczyny. Całkowita pojemność zbiornika przy rzędnej 198,84 m n.p.m. wynosi 123,44 mln m 3 , z powierzchnią zalewu 2 077 ha.
Zmiany pojemności na tym akwenie kształtują się wręcz odwrotnie niż na zbiorniku Otmuchów. Pojemność zbiornika Nysa powiększa się bowiem z biegiem lat i jest głównie skutkiem eksploatacji górniczej żwiru w czaszy zbiornika, szczególnie intensywnej w strefie pojemności użytkowej (tabela 35). Inną przyczyną może być erozja dna zbiornika podczas fal powodziowych. Nie bez znaczenia dla rozkładu rumowiska w czaszy zbiornika jest zwiększenie pojemności rezerwy powodziowej stałej. Zbiornik Nysa został oddany do eksploatacji w 1972 roku. Krzywe pojemności dla lat 1972, 1978 i 2001 przedstawiono na rysunku 36. Pierwszą krzywą pojemności zbiornika opracowano na podstawie pomiarów geodezyjnych przed pierwszym spiętrzeniem – całkowita pojemność wynosiła Vc = 111,0 mln m 3 dla rzędnej makaymalnej piętrzenia 199,00 m n.p.m. W wyniku pomiarów przeprowadzonych w 1978 roku stwierdzono, że uległa ona zwiększeniu do 113,60 mln m 3 .
Ostatni pomiar zamulenia wykonano w 2001 roku. Wynika z niego, że pojemność zbiornika uległa dalszemu zwiększeniu i przy maksymalnej rzędnej piętrzenia wyniosła 123,44 mln m 3 . Największe przyrosty pojemności zbiornika Nysa obserwuje się w strefie pojemności użytkowej i rezerwy powodziowej.
Dokładna ocena ilości rumowiska doprowadzonego do zbiornika Nysa i wymywanego z niego nie jest możliwa, ponieważ została ona zaburzona przez działalność górniczą.
Kopalnia Wójcice prowadziła eksploatację żwiru zarówno przed budową zbiornika, jak i podczas całego okresu jego eksploatacji. Ilość wydobytego żwiru wynosiła od ca 400 tys. m 3 do ca 800 tys. m 3 rocznie. W okresie 1972-2008 wydobyto ze zbiornika około 20 mln m 3 , a w okresie 1972-2001 około 15 mln m 3 materiału.
Nadkład znad złoża żwiru przemieszczany jest na docelowe zwałowiska usytuowane w wyeksploatowanej części wyrobiska, wzdłuż zachodniej granicy plano-
Rys. 36. Krzywe pojemności zbiornika Nysa w latach 1972, 1978 i 2001
Tabela 35. Pojemność zbiornika Nysa w latach 1972, 1978, 2001
Rzędna (m n.p.m.)
Pojemność zbiornika (mln m3) 1972 1978 2001
6,00 7,04 8,85
10,50 12,50 15,10
19,00 20,29 24,15
28,50 30,68 36,25
wanej eksploatacji. Ze zwałowisk tych formowane są na bieżąco wyspy o znaczeniu proekologicznym, z przeznaczeniem dla ptactwa wodnego i tarliska dla ryb.
W okresie 2004-2008 zaplanowano zwiększenie pojemności akwenu o 2,16 mln m 3 poprzez wydobycie kruszywa. Piasek odpadowy składowany jest w czaszy zbiornika Nysa. Wedługg dyrekcji Kopalni Wójcice nie zagraża to środowisku naturalnemu ani nie ogranicza parametrów eksploatacyjnych zbiornika. Z dwóch form odprowadzenia piasku odpadowego – bezpośrednio na dno wyrobisk i na skarpy wysp – zakład ten preferuje rozwiązanie drugie, które jest zarówno prostsze w obsłudze i zmniejsza zasięg zmącenia wody, jak również poprawia walory przyrodnicze tego fragmentu zbiornika.
Według władz Kopalni Wójcice dotychczas wykonane oceny oddziaływania na środowisko nie wykazały, aby system wydobywania kruszywa z dna obiektu stanowił zagrożenie dla czystości wód zbiornika Nysa i dla żyjących w nim organizmów, ani dla środowiska awifauny. Stwierdzenie to dotyczy zarówno procesów samego wydobycia, jak i uszlachetnienia kruszywa. Należy podkreślić, że stanowisko firmy eksploatującej żwir jako kruszywo jest dyskusyjne. Zdejmowanie nakładu oraz eksploatacja kruszywa mogą bowiem w istotny sposób wpływać na warunki sedymentacji i erozji rumowiska.
Z analizy gospodarki wodnej na zbiorniku Nysa w latach 1972-1999 i eksploatacji górniczej wynika, że ta ostatnia może znacznie deformować proces sedymentacji i erozji namułów. Trudno oddzielić (zarówno ilościowo, jak i jakościowo)
wpływ transportu, sedymentacji i erozji namułów od wpływu działalności Kopalni Surowców Mineralnych Wójcice. Trudności te są związane z:
− wydobyciem znacznej ilości żwiru (rzędu 20 mln m 3 w latach 1972-2008);
− brakiem dokładnych pomiarów intensywności transportu rumowiska unoszonego i zawieszonego w przekroju wlotowym do zbiornika Nysa na rzece Nysa Kłodzka oraz na dopływach tej rzeki z tzw. zlewni różnicowej (cieków Świdna, Widna i Biała Głuchołaska);
− trudnościami określenia miąższości osadzonych namułów w strefach użytkowej i martwej, w których prowadzona jest działalność górnicza. Kopalnia eksploatuje bowiem żwir w sposób lokalny, np. w latach 2004-2008 na obszarze rzędu 42 ha (w porównaniu z powierzchnią rzędu 2000 ha dla całej czaszy zbiornika Nysa). Wstępnie można stwierdzić, że sumaryczny wpływ ruchu rumowiska i działalności górniczej wpłynął na znaczne zwiększenie pojemności zbiornika. Na podstawie pomiarów hydrologicznych dotyczących zmącenia wody, wykonanych przez IMGW w latach 1971-1983 (Roczniki Hydrologiczne Wód Powierzchniowych) w przekrojach powyżej zbiornika Otmuchów (km 97,6) i poniżej zbiornika Nysa (km 60,5), oceniono, że oba zbiorniki zatrzymują średnio w roku około 63 tys. ton rumowiska unoszonego i zawieszonego. Dopływ rumowiska do obu zbiorników Nysa i Otmuchów został jednak zaburzony przez wybudowanie dwóch nowych zbiorników retencyjnych – Topola i Kozielno.
Pojemności zbiornika Topola obliczono na podstawie numerycznego modelu jego czaszy, przy uwzględnieniu dostępnych wyników sondowań w basenach poeksploatacyjnych (ostatnie z 2000 roku) i zdjęć fotogrametrycznych. Założono przy tym, że przewidziane zasoby żwiru zostaną wydobyte z pozostawieniem warstwy materiału o grubości około 1,0 m.
Charakterystyczne rzędne piętrzenia i pojemności zbiornika Topola określone w pozwoleniu wodnoprawnym wynoszą:
− minimalny poziom piętrzenia 223,00 m n.p.m., pojemność 4,0 mln m 3 ;
− normalny poziom piętrzenia 229,00 m n.p.m., pojemność 21,9 mln m 3 ;
− rzędna przy przepływie powodziowym miarodajnym Qm = 230,35 m n.p.m.; pojemność 26,5 mln m 3 ;
− rzędna przy przepływie powodziowym kontrolnym Qk = 232,15 m n.p.m.; pojemność 32,8 mln m 3 .
Przepływy maksymalne w przekroju wlotu do zbiornika Topola są zmienione przez transformację fal na terenie wyrobisk poeksploatacyjnych Pilce i Byczeń oraz przez dopływ potoku Budzówka, co niewątpliwie będzie miało wpływ na aktualną krzywą pojemności tego zbiornika (rysunek 37, tabela 36). Odpływ z wylotu urządzeń zrzutowych zbiornika Topola wprowadzany jest bezpośrednio do czaszy zbiornika Kozielno.
Rys. 37. Krzywa pojemności zbiornika Topola w 2000 roku
Tabela 36. Początkowa pojemność zbiornika Topola w 2000 roku
Rzędna (m n.p.m.)
Pojemność zbiornika (mln m3) Rzędna (m n.p.m.)
Pojemność zbiornika (mln m3) od 2000 roku od 2000 roku
218,20 0,000 226,00 12,268
219,00 0,014 227,00 15,386
220,00 0,208 228,00 18,596
221,00 0,812 229,00 21,891
222,00 2,075 230,00 25,270
223,00 4,065 231,00 28,733
224,00 6,501 232,00 33,310
225,00 9,260
Pojemności zbiornika Kozielno, podobnie jak dla zbiornika Topola, określono na podstawie numerycznego modelu terenu czaszy zbiornika, przy uwzględnieniu wyników sondowań w wyrobiskach poeksploatacyjnych i zdjęć fotogrametrycznych. Przy czym pobór kruszywa ze zbiornika Kozielno zakończono w 2003 roku. W tabeli 37 i na rysunku 38 przedstawiono pojemność zbiornika Kozielno w funkcji rzędnych zwierciadła wody.
W podsumowaniu oceny procesu zamulenia zbiorników kaskady Nysy Kłodzkiej należy stwierdzić, że dla pełniejszej oceny wpływu transportu rumowiska na pojemność czterech zbiorników kaskady, tj. zbiorników Topola, Kozielno, Otmuchowa i Nysy, konieczne jest wykonanie badań specjalistycznych, a mianowicie:
Rys. 38. Krzywa pojemności zbiornika Kozielno w 2000 roku
Tabela 37. Pojemność zbiornika Kozielno w 2000 roku
Rzędna (m n.p.m.)
Pojemność zbiornika (mln m3) Rzędna (m n.p.m.)
Pojemność zbiornika (mln m3) od 2000 roku od 2000 roku
215,00 0,000 221,00 8,185
216,00 0,135 222,00 11,392
217,00 0,477 223,00 14,726
218,00 1,202 224,00 18,189
219,00 2,819 224,70 20,685 220,00 5,125
− pomiaru batymetrycznego czaszy wszystkich czterech zbiorników, umożliwiającego ocenę ich pojemności aktualnej, i to we wszystkich trzech strefach gospodarki wodnej, tj. pojemności zastrzeżonej, pojemności użytkowej i rezerwy powodziowej;
− poboru wielu nieodkształconych próbek rumowiska osadzonego za wszystkich stref gospodarki wodnej;
− oceny procesu segregacji ziarnowej w zbiorniku podczas sedymentacji oraz procesów zagęszczania i erozji osadzonej warstwy namułu spoistego i częściowo spoistego;
− opracowania metody odmulania zbiorników (hydraulicznej lub mechanicznej).
4.2.2. Zasilanie Odrzańskiej Drogi Wodnej
Przed powodzią w 1997 roku głównym zadaniem zbiorników Otmuchów i Nysa było zasilanie wód Odry dla celów żeglugowych, które odbywało się poprzez wykorzystanie objętości wody w obu akwenach, znajdującej się między poziomem piętrzenia zastrzeżonego a poziomem normalnego piętrzenia. Gromadzenie wody w zbiornikach odbywało się z reguły w okresie od 1 stycznia do 31 maja, a zasilanie wód Odry między 1 czerwca a 31 grudnia. Do 1952 roku zasilanie Odry dokonywane było w sposób falowy, w zależności od nagromadzonego zapasu wody w zbiorniku i naturalnych przepływów w Odrze. Zrzuty ze zbiorników miały zagwarantować minimalną głębokość w Odrze swobodnie płynącej równą 1,30 m. Od roku 1953 została przyjęta zasada ciągłego zasilania rzeki Odry. Po oddaniu do eksploatacji zbiornika Nysa w 1972 roku skorygowano ten sposób zasilania. Wprowadzono zasadę ekonomicznego zasilania rzeki Odry dla celów żeglugowych, w zależności od sytuacji hydrologicznej na rzece Odrze i jej głównych dopływach.
Ilość odprowadzanej wody ze zbiorników do Odry dla utrzymania w niej ekonomicznie uzasadnionych głębokości tranzytowych uzależniona jest przede wszystkim od stanu technicznego zabudowy regulacyjnej Odry swobodnie płynącej.
W celu poprawienia stanu zabudowy regulacyjnej opracowano program modernizacji systemu żeglugowego Odry [Hydroprojekt 1997], który zakładał działania zmierzające do dostosowania Odrzańskiej Drogi Wodnej do parametrów III klasy, z uwzględnieniem regionalnych potrzeb i możliwości osiągnięcia na wybranych odcinkach rzeki wyższych parametrów odpowiadających wymogom międzynarodowym [Parzonka i in. 1978].
Głównym elementem technicznej modernizacji Odry skanalizowanej (km 94,2-281,7), gdzie głębokości tranzytowe równe 1,80 m są gwarantowane w okresie sezonu żeglugowego, są unowocześnienia techniczne i usprawnienia eksploatacyjne jazów i śluz.
Odmienne problemy występują na Odrze swobodnie płynącej od stopnia Brzeg Dolny (km 281,7) do ujścia Nysy Łużyckiej (km 542,4) [Kosierb 2008b; Kosierb, Parzonka 2008]. Można tu wyróżnić dwa odcinki o różnej charakterystyce:
− Odcinek Brzeg Dolny – Chobienia (km 349,9), gdzie dominują procesy erozyjne. Koryto rzeki jest silnie zdegradowane przez postępującą erozję liniową, która sięga już znacznie poniżej Ścinawy (km 332,0). Średni poziom dna obniża się o 4-8 cm rocznie, powodując spadek poziomu zwierciadła wody w rzece oraz poziomu wód gruntowych w przyległej dolinie. Średni poziom zwierciadła wody obniżył się w okresie 1958-2005 w przekroju wodowskazowym Brzeg Dolny Nadzór o 1,95 m, a w przekroju Malczyce o 1,91 m. Objętość wymytego materiału dennego w latach 1958-1993 wyniosła 3,5 mln m 3 , tj. średnio
0,1 mln m 3 rocznie. Stopniowe wymywanie drobnych frakcji spowodowało następnie obrukowanie dna koryta rzeki, co spowolniło nieco proces jego obniżania. Ta degradacja koryta spowodowała znaczne utrudnienia w żegludze i niekorzystnie wpłynęła na środowisko przyrodnicze w dolinie. Dziś już nie wystarczają zrzuty ze zbiorników wodnych dla poprawy warunków żeglugi. Konieczne jest jak najszybsze ukończenie budowy stopnia Malczyce i jednorazowe podniesienie dna rzeki na zdegradowanym odcinku oraz coroczne „dokarmianie” rzeki.
− Odcinek Chobienia – ujście Nysy Łużyckiej. Występują tu istotne uszkodzenia budowli regulacyjnych (ostróg). Konieczna jest modernizacja systemu regulacji poprzez zastosowanie budowli podłużnych – zaproponowano realizację tzw. mieszanego systemu regulacji środkowej Odry opracowanego przez doc. J. Wierzbickiego z Politechniki Warszawskiej. System ten polega na budowie tam podłużnych i poprzecznych na brzegu wklęsłym oraz ostróg na brzegu wypukłym.
Szczególnie niekorzystna sytuacja występuje na odcinku rzeki Odry od Brzegu Dolnego do Ścinawy, a nawet poniżej tego przekroju. Stopień w Brzegu Dolnym (fot. 3) został oddany do eksploatacji w 1958 roku i od tego czasu rozpoczął się proces erozji dna poniżej tego obiektu [Parzonka, Kosierb 2009]. Szczególnie niebezpieczny dla samego stopnia (a zwłaszcza dla jazu) jest wybój lokalny powstały poniżej jazu. W latach 1991-1993 przeprowadzono prace zabezpieczające wybój, a tym samym podnoszące bezpieczeństwo budowli, lecz było to rozwiązanie prowizoryczne. Zahamowanie erozji lokalnej oraz erozji brzegowej i liniowej na odcinku od Brzegu Dolnego do Malczyc będzie możliwe dopiero po zakończeniu budowy stopnia Malczyce (fot. 4) zlokalizowanego w km 300 rzeki Odry, około 5 km powyżej miejscowości Malczyce.
Erozja dolnego stanowiska w Brzegu Dolnym spowodowała zagrożenie utraty stateczności stopnia przy dalszym postępie zjawisk erozyjnych. Obniżenie dna w korycie spowodowało zwężenie szlaku żeglownego i istotne zmniejszenie głębokości tranzytowych dla żeglugi.
Fot. 3. Jaz w Brzegu Dolnym
Fot. 4. Projektowany stopień wodny Malczyce – wizualizacja
Dzięki wybudowaniu stopnia w Malczycach osiągnięte będą następujące efekty:
− zostanie zabezpieczony stopień w Brzegu Dolnym przed dalszą erozją i utratą stateczności;
− podniosą się poziomy wód gruntowych do stanu niezbędnego dla ekosystemu dolinowego, co zabezpieczy przed przesuszaniem przyległe tereny, a w szczególności lasy łęgowe;
− powstrzyma się procesy erozyjne w korycie na odcinku Brzeg Dolny – Malczyce;
− przywróci się parametry szlaku żeglownego
− poprzez budowę elektrowni wodnej przy stopniu uzyska się energię odnawialną. Budowa stopnia Malczyce na rzece Odrze poprawi warunki żeglugowe na odcinku najniekorzystniejszym, tj. między stopniem Brzeg Dolny a stopniem Malczyce, nie rozwiązuje jednak problemu erozji na odcinku Malczyce-Ujście Nysy Łużyckiej. W latach 1994-1998 wykonano naprawę uszkodzonych ostróg na odcinku od km 423 do km 429 Odry (fot. 5), co znacznie poprawiło warunki żeglugowe na tym odcinku. Dynamikę zmian rzędnych dna na tym odcinku w latach 1990-2003 ilustruje rysunek 39.
Fot. 5. Odra swobodnie płynąca, km 427,5
Rys. 39. Rzędne dna w nurcie rzeki Odry na odcinku od km 423 do km 429 w wybranych latach
Jednym z rozwiązań mogącym polepszyć warunki żeglugowe na Odrze swobodnie płynącej na odcinku niezdegradowanym przez erozję liniową, tj. poniżej
Chobieni, jest modernizacja regulacji wg opracowania Hydroprojektu [1997], która ma za zadanie zwiększyć głębokości tranzytowe dla żeglugi oraz poprawić warunki przepływu wód powodziowych i pochodu lodów [Kosierb, Parzonka 2008].
Modyfikacja istniejącego systemu regulacji rzeki Odry swobodnie płynącej powinna przynieść poprawę głębokości tranzytowych o około 20-30 cm w górnej strefie stanów.
Problemem pozostaje przyjęcie odpowiedniego rozwiązania na odcinku Malczyce – Chobienia, który znajduje się w strefie przyspieszonej erozji dna. Odcinek ten jest tak zdegradowany, że wymaga zastosowania całkowicie odmiennego podejścia do modernizacji systemu regulacji. Zasięg erozji liniowej w 2007 roku wynosił już ca 60 km poniżej stopnia Brzeg Dolny. Budowle regulacyjne na tym odcinku (ostrogi) nie spełniają już od wielu lat swych zadań, gdyż „wystają” nad zwierciadło wody. Problemem modernizacji tego odcinka zajął się w latach 90-tych Instytut Inżynierii Środowiska Akademii Rolniczej we Wrocławiu. W 1994 roku Parzonka zgłosił koncepcję „karmienia” rzeki Odry poniżej ostatniego stopnia w rumowisko rzeczne dla skompensowania erozji podczas przejścia kolejnych fal powodziowych. Takie zabiegi zastosowano na Renie na stopniu Iffezheim i na Łabie. Koncepcja ta zakłada „karmienie” rzeki poniżej stopnia Malczyce i ewentualnie poniżej kolejnego stopnia (np. Lubiąża). Parametry techniczne „karmienia” zostały określone w ramach badań modelowych zrealizowanych w Laboratorium Wodnym AR Wrocław. Określono między innymi potrzebne ilości materiału oraz granulację dozowanego rumowiska.
Modernizacja zabudowy regulacyjnej rzeki Odry poniżej stopnia Malczyce jest podstawowym zabiegiem mającym na celu poprawienie warunków przepływu w okresie wezbrań powodziowych, jak również podwyższenia głębokości tranzytowych dla żeglugi przemysłowej i turystycznej. Po powodzi w 1997 roku zmieniono podstawowe funkcje zbiorników retencyjnych Otmuchów i Nysa. Obecnie ich głównym zadaniem jest ochrona przeciwpowodziowa terenów położonych poniżej zbiornika Nysa. Zwiększone zostały także rezerwy powodziowe (od 1999 roku) obu akwenów kosztem wody dyspozycyjnej dla żeglugi. Wprowadzenie zadań ochronnych dla obszaru Natura 2000 w czaszy zbiorników Nysa i Otmuchów ograniczyło również w zasadniczy sposób możliwości zasilania drogi wodnej. Z drugiej jednak strony, realizacja zadań inwestycyjnych w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa, mających na celu znaczne podniesienie przepływów dozwolonych, niepowodujących szkód, może w znacznym stopniu zwiększyć zasoby wód dyspozycyjnych dla uprawiania żeglugi. Po zrealizowaniu zadań ochrony przeciwpowodziowej w rejonie Nysy, Lewina Brzeskiego i Skorogoszczy pojawi się możliwość dokonywania zwiększonych zrzutów z kaskady zbiorników Nysy Kłodzkiej, wyprzedzających nadejście fali powodziowej, a tym samym wcześniejszego przygotowania rezerw wymuszonych na tych zbiornikach. Pozwoli to na utrzymanie wyższych poziomów piętrzenia dla potrzeb innych użytkowników. Możliwości zasilania Odry z Nysy ulegną znacznej poprawie również po wybudowaniu zbiornika Kamieniec Ząbkowicki, co pozwoli na odtworzenie poprzednich poziomów piętrzenia na zbiornikach Nysa i Otmuchów oraz zwiększenie wody dyspozycyjnej dla żeglugi. Decyzje te powinny być jednak poprzedzone szeroką analizą ekonomiczną uzasadniającą zmiany poziomów piętrzenia na zbiornikach Nysa i Otmuchów.
4.2.3. Zachowanie niezbędnej równowagi środowiska dla życia ryb i ptactwa
Prowadzona obecnie gospodarka wodna, zgodna z uznanymi zasadami optymalnego wykorzystania zasobów wodnych, stanowi o utrzymaniu, ochronie i kształtowaniu środowiska przyrodniczego w rejonie zbiorników Otmuchów i Nysa.
W decyzji Marszałka Województwa Opolskiego z dnia 13.01.2012 roku, udzielającej Regionalnemu Zarządowi Gospodarki Wodnej we Wrocławiu pozwolenia wodnoprawnego na realizację przedsięwzięcia pt. Modernizacja budowli i urządzeń zbiornikowych wraz z budową innych obiektów niezbędnych dla zbiornika Nysa oraz pozwoleniu wodnoprawnym na piętrzenie i retencjonowanie wód rzeki Nysy Kłodzkiej w zbiorniku Otmuchów i Nysa, określono poziomy piętrzenia na tych zbiornikach niezbędne dla okresu lęgowego ptaków chronionych.
Według tej decyzji w zbiorniku Otmuchów obowiązują następujące poziomy piętrzenia:
− minimalny poziom piętrzenia (Min PP) 206,86 m NN;
− poziomom piętrzenia dla zapasu zastrzeżonego 208,24 m NN;
− normalny poziom piętrzenia (NPP) w okresie od 1.08 do 15.04 – 210,00 m NN;
− normalny poziom piętrzenia (NPP) w okresie od 1.05 do 15.07 – 211,00 m NN;
− maksymalny poziom piętrzenia (Max PP) 215,00 m NN;
− nadzwyczajny poziom piętrzenia (Nad PP) 215,84 m NN.
Należy podkreślić, że corocznie w drugiej połowie kwietnia administrator zbiornika Otmuchów powinien dążyć do uzyskania podwyższonego poziomu NPP = 211 m NN w okresie lęgowym ptaków chronionych, a także poprzez zwiększenie zrzutów wody ze zbiorników wodnych Topola i Kozielno. Ze względu na określony poziom piętrzenia zastrzeżonego, istotny z punktu widzenia zaspokojenia potrzeb gospodarki komunalnej (woda pitna dla Wrocławia), a w sytuacjach wyjątkowych zasilania rzeki Odry dla celów żeglugowych, nie jest możliwe obniżenie piętrzenia w zbiorniku poniżej poziomu piętrzenia zapasu zastrzeżonego bez zgody Marszałka Województwa Opolskiego. Obniżenie poniżej w/w poziomu może powodować szybszą erozję powierzchni betonowych budowli w okresie zimowym oraz zwiększone zagrożenie śnięciem ryb w zbiorniku przy występowaniu pokrywy lodowej.
Przepływ dozwolony w Nysie Kłodzkiej poniżej zapory zbiornika Otmuchów został ustalony na Qdoz = 250 m 3/s, przepływ powodziowy – na Qpow = 450 m3/s.
Dla zbiornika Nysa udzielono pozwolenia na piętrzenie i retencjonowanie wód rzek Nysy Kłodzkiej, Białej Głuchołaskiej, Świdnej, Widnej i Raczyny do rzędnych:
− minimalny poziom piętrzenia (Min PP) 190,84 m n.p.m.;
− poziom piętrzenia dla zapasu zastrzeżonego 193,00 m n.p.m.;
− normalny poziom piętrzenia (NPP) w okresie od 15.09 do 15.04 – 194,00 m n.p.m.;
− normalny poziom piętrzenia (NPP) w okresie od 1.05 do 1.09 – 195,00 m n.p.m.;
− maksymalny poziom piętrzenia (Max PP) 198,84 m n.p.m.;
− nadzwyczajny poziom piętrzenia (Nad PP) 199,45 m n.p.m. Od połowy kwietnia do końca miesiąca należy dążyć do uzyskania podwyższonego poziomu NPP = 195,00 m n.p.m. w okresie lęgowym ptaków chronionych, także poprzez zwiększone zrzuty wody ze zbiorników wodnych Topola i Kozielno. Analogicznie jak dla zbiornika Otmuchów, na zbiorniku Nysa nie jest możliwe, bez zgody Marszałka Województwa Opolskiego, obniżenie piętrzenia w zbiorniku Nysa poniżej poziomu piętrzenia zapasu zastrzeżonego. Obniżenie to może spowodować podobne niekorzystne zjawiska do wymienionych dla zbiornika Otmuchów. Przepływ dozwolony poniżej zbiornika Nysa został ustalony na Qdoz = 250 m 3/s, przepływ powodziowy – na Qpow = 600 m3/s.
OCHRONA PTAKÓW NA ZBIORNIKU OTMUCHÓW
Dnia 20 grudnia 2013 roku regionalni dyrektorzy ochrony środowiska w Opolu i we Wrocławiu wydali zarządzenie w sprawie planu zadań ochronnych dla obszaru Natura 2000 Zbiornik Otmuchowski.
W planie tym zidentyfikowano istniejące i potencjalne zagrożenia dla zachowania właściwego stanu ochrony siedlisk przyrodniczych oraz gatunków roślin i zwierząt i ich siedlisk będących przedmiotem ochrony oraz przedstawiono działania ochronne ze wskazaniem podmiotów odpowiedzialnych za ich wykonanie i obszarów ich wdrażania.
Przedmiotem ochrony na zbiorniku Otmuchowskim są następujące gatunki ptaków: gęś zbożowa, krzyżówka, ślepowron, czapla siwa, kulik wielki, czajka i rybitwa białowąsa. Dla każdego z tych gatunków, oprócz czapli siwej, określono następujące zagrożenia wynikające z gospodarki wodnej na tym zbiorniku:
− gęś zbożowa – nadmierne opróżnianie zbiornika w okresie jesień-wiosna, skutkujące brakiem bezpiecznych miejsc odpoczynku i noclegu;
− krzyżówka – analogicznie jak gęś zbożowa; nieobniżanie poziomu wody w zbiorniku w okresie letnim i jesiennym skutkuje niepojawieniem się obszarów błot (na fragmentach dna zbiornika) stanowiących teren żerowania ptaków;
− ślepowron – obniżanie lub podnoszenie poziomu wody w okresie odbywania lęgów tych ptaków (kwiecień-lipiec), stanowiące bezpośrednie zagrożenie dla lęgów;
− kulik wielki i czajka – nieobniżanie poziomu wody w zbiorniku w okresie letnim i jesiennym powoduje brak błot na fragmentach dna zbiornika pełniących funkcję żerowiska ptaków;
− rybitwa białowąsa – obniżanie lub podnoszenie poziomu wody w okresie odbywania lęgów ptaków (maj-lipiec) skutkuje obniżeniem sukcesu lęgowego ptaków. Gospodarkę wodną na zbiorniku Otmuchów dla ochrony populacji ptaków należałoby prowadzić w następujący sposób:
− w okresie jesień-wiosna nie należy nadmiernie opróżniać zbiornika ze względu na potrzeby gęsi zbożowej i krzyżówki;
− należy obniżać poziom wody w okresie letnim i jesiennym ze względu na potrzeby krzyżówki, kulika wielkiego i czajki);
− nie należy podnosić lub obniżać poziom wody w zbiorniku w okresie kwiecień-lipiec dla ślepowrona i w okresie maj-lipiec dla rybitwy.
Zaleca się, aby w projekcie kolejnej instrukcji gospodarowania wodą dla zbiornika wodnego Otmuchów uwzględnić następujące zapisy:
− w okresie od drugiej dekady lipca do trzeciej dekady października, w normalnych warunkach użytkowania zbiornika określonych w instrukcji, należy dążyć do stopniowego obniżania lustra wody w zbiorniku;
− w okresie od drugiej dekady maja do drugiej dekady lipca, w normalnych warunkach użytkowania zbiornika określonych w instrukcji, należy dążyć do utrzymania normalnego poziomu piętrzenia.
Analizując gospodarkę wodną na zbiorniku Otmuchów w okresie wezbrania, według zasad postępowania opracowanych przez autora, należy stwierdzić, że wymogi ochrony ptaków w żadnym stopniu nie wpłyną na gospodarkę wodną w okresie powodzi ze względu na obniżenie poziomów piętrzenia na zbiorniku w okresie letnim, co jest zgodne z sugestiami autora odnośnie zwiększenia rezerwy powodziowej w zbiorniku w tym okresie.
OCHRONA PTAKÓW NA ZBIORNIKU NYSA
Dnia 3 grudnia 2013 roku Regionalny Dyrektor Ochrony Środowiska w Opolu wydał, analogiczne jak dla zbiornika Otmuchów, zarządzenie w sprawie ustanowienia planu zadań ochronnych dla obszaru Natura 2000 Zbiornik Nyski. W planie zidentyfikowano istniejące i potencjalne zagrożenia dla zachowania właściwej ochrony siedlisk przyrodniczych oraz gatunków roślin i zwierząt i ich siedlisk będących przedmiotami ochrony oraz przedstawiono działania ochronne ze wskazaniem podmiotów odpowiedzialnych za ich wykonanie i obszarów ich wdrażania.
Przedmiotem ochrony na zbiorniku Nyskim są następujące gatunki ptaków: gęś zbożowa, krzyżówka, czajka, biegus malutki, biegus zmienny, kulik wielki, mewa czarnogłowa, mewa śmieszka, rybitwa rzeczna, rybitwa białoczelna. Dla każdego z tych gatunków określono następujące zagrożenia wynikające z gospodarki wodnej na zbiorniku Nysa:
− gęś zbożowa i krzyżówka – nadmierne opróżnianie zbiornika z wody w okresie jesień-wiosna skutkujące brakiem bezpiecznych miejsc odpoczynku i noclegu;
− czajka, biegus malutki, biegus zmienny i kulik wielki – nieobniżanie poziomu wody w zbiorniku w okresie letnim i jesiennym spowoduje nieodsłanianie błotnistego dna zbiornika potrzebnego do skarmiania tych ptaków;
− mewa czarnogłowa, mewa śmieszka, rybitwa rzeczna i rybitwa białoczelna –nie zalecane jest podnoszenie poziomu wody w okresie lęgów ptaków (kwiecień-czerwiec).
W związku z ochroną ptaków, gospodarkę wodną na zbiorniku Nysa należy prowadzić w następujący sposób:
− w okresie jesień-wiosna nie należy nadmiernie opróżniać zbiornika (wymogi gęsi zbożowej i krzyżówki);
− należy obniżać poziom wody w okresie letnim i jesiennym z uwagi na potrzeby czajki, biegusa malutkiego, biegusa zmiennego i kulika wielkiego;
− nie należy podnosić poziomu wody w okresie kwiecień-czerwiec ze względu na potrzeby mewy czarnogłowej i śmieszki oraz rybitwy rzecznej i białoczelnej).
W zarządzeniu zalecono, w zakresie działań ochronnych, aby w projekcie kolejnej instrukcji gospodarowania woda dla zbiornika wodnego Nysa uwzględnić następujące zapisy:
− w okresie od trzeciej dekady marca do trzeciej dekady czerwca, w normalnych warunkach użytkowania zbiornika określonych w instrukcji, należy utrzymywać poziom piętrzenia nie wyższy niż osiągnięty na początku tego okresu;
− w okresie od trzeciej dekady czerwca do trzeciej dekady października, w normalnych warunkach użytkowania zbiornika określonych w instrukcji, należy dążyć do stopniowego obniżania lustra wody w zbiorniku. Podobnie jak na zbiorniku Otmuchów, ochrona ptaków na zbiorniku Nysa nie wpłynie negatywnie na gospodarkę wodną na tym akwenie podczas wezbrań powodziowych, które z reguły występują w lipcu i sierpniu. Nie spowoduje również ograniczenia pojemności dyspozycyjnych w zbiornikach dla ochrony przeciwpowodziowej – zarówno na zbiorniku Nysa, jak i na zbiorniku Otmuchów. Ograniczy ona jednak znacznie możliwości zasilania Odrzańskiej Drogi Wodnej dla uprawiania żeglugi.
5. STEROWANIE PRACĄ ZBIORNIKÓW NA NYSIE KŁODZKIEJ PODCZAS WEZBRAŃ HISTORYCZNYCH Z LAT 1977, 1985 I 1997
Opracowanie metody sterowania wezbraniami powodziowymi na kaskadzie zbiorników Nysy Kłodzkiej, w aspekcie zminimalizowania strat w dolinie poniżej zbiornika Nysa oraz niedopuszczenia do nałożenia się kulminacji wezbrania Nysy Kłodzkiej na kulminację wezbrania Odry, było przedmiotem rozprawy doktorskiej autora [Kosierb 2004]. Analizując poszczególne historyczne wezbrania oraz gospodarkę wodną na tych zbiornikach podczas wezbrań, autor sukcesywnie wprowadzał ich wyniki do opracowywanych instrukcji gospodarowania wodą dla zbiorników Otmuchów i Nysa, wykorzystując doświadczenia w prowadzeniu gospodarki wodnej na tych obietkach, które pozwoliły mu na opracowanie zasad sterowania zbiornikami podczas wezbrań.
WEZBRANIE Z 1977 ROKU
Wezbranie spowodowały opady deszczu typu frontalnego, które rozpoczęły się 31 lipca w godzinach popołudniowych i trwały bez przerwy do 2 sierpnia. Wynikiem przestrzennego rozłożenia opadów (rysunek 9) było utworzenie się podwójnej fali na Odrze i na Nysie Kłodzkiej. Znaczny wzrost dopływu do zbiorników Otmuchów i Nysa wystąpił w dniu 1 sierpnia, natomiast maksymalny dopływ do zbiornika Otmuchów, Q = 490 m 3/s, 4 sierpnia o godz. 17:00 i został zredukowany do odpływu 335 m3/s. Ograniczenie zrzutu ze zbiornika Otmuchów w pierwszej fazie wezbrania do wartości 20-30 m 3/s pozwoliło na wykorzystanie rezerwy forsowanej w maksymalnym stopniu, nie powodując przekroczenia maksymalnego poziomu piętrzenia. Drugie wezbranie było mniejsze od pierwszego. Maksymalny dopływ do zbiornika Otmuchów 419 m 3/s został zredukowany do odpływu równego 242 m3/s.
Stosunkowo duży odstęp czasu między pierwszą a drugą falą pozwolił na odtworzenie rezerwy powodziowej na zbiorniku Otmuchów (rysunek 40).
Maksymalny dopływ do zbiornika Nysa w okresie pierwszej fali wynosił 585 m 3/s, na który składał się zrzut ze zbiornika Otmuchów i stosunkowo wysoki dopływ do zbiornika ze zlewni Białej Głuchołaskiej, Świdnej, Widnej i Raczyny. Zrzut maksymalny ze zbiornika Nysa został ograniczony podczas pierwszej fali do 350 m3/s.
Rys. 40. Gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów podczas wezbrania w 1977 roku
Rys. 41. Gospodarka wodna na zbiorniku Nysa podczas wezbrania w 1977 roku
W dniu 4 sierpnia, w godz. 12:00-16:00, odpływ ze zbiornika Nysa zmniejszono z 350 do 150 m 3/s ze względu na przemieszczające się wezbranie na Odrze. Po przejściu pierwszej kulminacji na Odrze w przekroju ujścia Nysy Kłodzkiej odpływ z Nysy zwiększono do 250 m 3/s, co pozwoliło na odtworzenie rezerw powodziowych na obu zbiornikach.
W okresie transformacji pierwszej fali z Nysy Kłodzkiej i Białej Głuchołaskiej została częściowo wykorzystana rezerwa forsowana na zbiorniku Nysa.
W czasie przejścia drugiej fali maksymalny dopływ do zbiornika Nysa zredukowano z wartości 393 m 3/s do odpływu 300 m 3/s, a w okresie przemieszczania się kulminacji na Odrze odpływ ze zbiornika był stopniowo redukowany, osiągając minimalną wartość 50 m 3/s (rysunek 41).
WEZBRANIE Z 1985 ROKU
Wezbranie Nysie Kłodzkiej i Odrze spowodowane było przez opady deszczu typu frontalnego. Rozkład przestrzenny opadów (rysunek 10) spowodował pojedyncze wezbranie na Nysie Kłodzkiej i Odrze. Znaczny wzrost dopływu do zbiornika Otmuchów nastąpił 7 sierpnia. Od samego początku wezbrania zrzut ze zbiornika był utrzymywany w wysokości 10-40 m 3/s. Maksymalny dopływ do zbiornika wystąpił 8 sierpnia o godz. 1:00 i wynosił 267,4 m3/s.
Ze względu na remont ubezpieczenia zapory czołowej w 1985 roku, zbiornik
Otmuchów był opróżniony do minimalnego poziomu piętrzenia, któremu odpowiadała pojemność 10 mln m 3 .
Ograniczenie odpływu ze zbiornika Otmuchów w całym okresie wezbrania oraz dodatkowa rezerwa pojemności na tym akwenie pozwoliły na przyjęcie fali powodziowej z Nysy Kłodzkiej i zgromadzenie jej w zbiorniku przy odpływie równym tylko 40 m 3/s. W celu odtworzenia rezerw powodziowych oraz przygotowania zbiornika do kontynuacji robót remontowych zwiększono zrzut do 100 m 3/s (rysunek 42).
Znaczny wzrost dopływu do zbiornika Nysa wystąpił 7 sierpnia i wynosił 295 m3/s. Odpływ maksymalny wynosił 200 m 3/s, przy częściowym tylko wykorzystaniu rezerwy stałej na zbiorniku.
Rys. 42. Gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów podczas wezbrania w 1985 roku
Rys. 43. Gospodarka wodna na zbiorniku Nysa podczas wezbrania w 1985 roku
Ze względu na wystąpienie 10 sierpnia, w godzinach 4:00-8:00, w przekroju wodowskazowym Miedonia na Odrze, przepływu maksymalnego o prawdopodobieństwie p = 5%, równego 1 268 m 3/s, zmniejszono zrzut ze zbiornika Nysa do 50 m 3/s. Po przejściu kulminacji na Odrze w przekroju ujście Nysy Kłodzkiej zwiększono zrzut z tego zbiornika do 100 m 3/s. W okresie transformacji fali pojemność zbiornika wynosił maksymalnie 89 mln m 3 , a więc wykorzystano tylko częściowo rezerwę powodziową stałą (rysunek 43). Istnienie przypadkowej rezerwy na zbiorniku Otmuchów równej około 75 mln m 3 pozwoliło na znaczne zredukowanie przepływów poniżej zbiornika Nysa i obniżenie przepływów powodziowych w Odrze poniżej ujścia Nysy Kłodzkiej.
WEZBRANIE Z 1997 ROKU
Katastrofalne wezbranie w lipcu 1997 roku zostało spowodowane opadami deszczu typu frontalnego w dorzeczu górnej Odry, w tym szczególnie we wschodniej części zlewni Nysy Kłodzkiej. Największe opady, o intensywności od 415,3 do 616,9 mm, wystąpiły w lewostronnym dorzeczu Odry, natomiast w zlewni Nysy Kłodzkiej wynosiły one od 316,2 do 513,0 mm.
Udział zlewni przyrastających w formowaniu się tego wezbrania na Nysie Kłodzkiej przedstawiono na rysunku 18 i w tabeli 21.
Opady w zlewni Nysy Kłodzkiej skutkowały utworzeniem się fali podwójnej w tej rzece. Pierwsza fala spowodowała przekroczenie absolutnych maksimów obserwowanych dotychczas na wszystkich wodowskazach Nysy Kłodzkiej oraz na jej prawostronnych dopływach i zalanie większości wodowskazów IMGW. Dopływ do
zbiornika Otmuchów i Nysa był określany na podstawie notowań na zbiornikach, ponieważ posterunki osłonowe Bardo i Głuchołazy zostały całkowicie zatopione. Podejmowanie decyzji w warunkach niepewności, gdy brakuje wielu istotnych informacji, klasyfikuje się jako współdziałanie z naturą [Ficoń 2013]. W 1997 roku wystąpił klasyczny problem podejmowania decyzji w warunkach określonego ryzyka. Mając jednak doświadczenie na podstawie wezbrań historycznych i znaczny zasób wiedzy o przebiegu procesów hydrologicznych w czasie wezbrań, można było podjąć decyzję o niskim poziomie ryzyka.
Znaczny wzrost dopływu do zbiornika Otmuchów wystąpił w godzinach wieczornych dnia 6 lipca, a już 8 lipca o godz. 11:00 maksymalny dopływ wynosił 2 156 m3/s. Od początku wezbrania zrzut ze zbiornika był utrzymywany na poziomie 40 m 3/s, w wyniku czego nastąpiło maksymalne wypełnienie rezerwy forsowanej i wejście w strefę piętrzeń awaryjnych. Nie spowodowało to jednak zagrożenia stateczności zapory zbiornika. Takie postępowanie na zbiorniku Otmuchów pozwoliło na zredukowanie przepływu w przekroju jego zapory z 2 156 m 3/s do 1 103 m 3/s (rysunek 44). Szczególnie wysoki dopływ, rzędu 1 029 m 3/s, do zbiornika Nysa podczas pierwszej fali pochodził ze zlewni rzek Biała Głuchołaska, Świdna, Widna i Raczyna (7 lipca, godz. 13:00). Wysoki zrzut ze zbiornika Otmuchów równy 1 103 m3/s oraz utrzymujący się w dniu 8 lipca wysoki dopływ do zbiornika Nysa ze zlewni różnicowej między tymi dwoma zbiornikami spowodowały konieczność dokonania zrzutu ze zbiornika Nysa w wysokości 1 500 m 3/s w godzinach 19:00-24:00, co doprowadziło do uszkodzenia dolnego stanowiska zapory zbiornika zaprojektowanego na maksymalny zrzut w wysokości 600 m3/s.
Rys. 44. Gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów podzcas wezbrania w 1997 roku
W dniu 9 lipca obniżono zrzut ze zbiornika Nysa do 1 300 m 3/s, a następnie do 1 150 m 3/s, ze względu na kulminację fali na rzece Odrze prognozowaną na 12 lipca w przekroju Ujście Nysy Kłodzkiej. 10 lipca kontynuowano zmniejszanie zrzutu ze zbiornika Nysa, osiągając w dniu następnym o godz. 12:00 odpływ równy 100 m3/s.
Po przejściu kulminacji na rzece Odrze zwiększono zrzut ze zbiornika Nysa do 350 m 3/s, przygotowując tym samym ten zbiornik do przejęcia następnej fali. Napełnienie zbiornika w okresie transformacji pierwszej fali powodziowej przekroczyło ustalony poziom maksymalnego piętrzenia wchodząc w strefę piętrzenia awaryjnego. Mimo zniszczenia niecki wypadowej poniżej zapory, bezpieczeństwo tej budowli zostało zachowane (rysunek 45), ponieważ zapora zbiornika Nysa nie została uszkodzona.
Druga fala opadów rozpoczęła się 17 lipca 1997 roku i spowodowała wezbranie znacznie mniejsze od pierwszego. Maksymalny dopływ do zbiornika Otmuchów, równy 692 m 3/s, został zredukowany do odpływu 420 m 3/s. Długi okres między pierwszą i drugą falą (13 dni) pozwolił na odtworzenie rezerw powodziowych na zbiorniku Otmuchów dla przyjęcia drugiego wezbrania. Natomiast maksymalny zrzut ze zbiornika Nysa w okresie drugiej fali wynosił 600 m 3/s, przy maksymalnym dopływie do zbiornika 753 m 3/s. Ze względu na przemieszczającą się drugą falę odrzańską odpływ ze zbiornika Nysa został zredukowany 22 sierpnia do 500 m 3/s, a nazajutrz stopniowo do 300 m3/s.
Prowadzona w czasie tego wezbrania gospodarka wodna na obu zbiornikach miała duże znaczenie dla opracowania zasad sterowania tymi obiektami. Stanowiła podstawę dla wybrania najlepszego wariantu sterowania dla innych wezbrań.
Rys. 45. Gospodarka wodna na zbiorniku Nysa podzczas wezbrania w 1997 roku
Przyjęto następujące założenia:
− maksymalne wykorzystanie rezerwy forsowanej na zbiorniku Otmuchów;
− dokonanie maksymalnego możliwego zrzutu ze zbiornika Nysa w pierwszym etapie wezbrania, niepowodującego jednak istotnych strat w dolinie poniżej tego zbiornika;
− stopniowe zmniejszanie zrzutu ze zbiornika Nysa w momencie wystąpienia kulminacji fali na Odrze w przekroju wodowskazowym Miedonia, a po przejściu kulminacji na Odrze przystąpienie natychmiast do odtwarzania rezerw powodziowych na zbiornikach Nysa i Otmuchów, co pozwoli na przyjęcie ewentualnego (bardzo prawdopodobnego) drugiego wezbrania na Nysie Kłodzkiej.
6. ZASADY STEROWANIA SYSTEMEM ZBIORNIKÓW OTMUCHÓW I NYSA PODCZAS WEZBRAŃ POWODZIOWYCH
Analiza transformacji fal w aspekcie środowiskowym, społecznym i gospodarczym, podczas zaistniałych zdarzeń powodziowych, pozwoliła autorowi pracy na ustalenie zasad sterowania na kaskadzie zbiorników Otmuchów-Nysa w zakresie przepływów maksymalnych o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10% i p <1%. Zdaniem autora zasady te są optymalne ze względu na przyjęte kryteria, tj. na maksymalną redukcję fali na Nysie Kłodzkiej oraz na ograniczenie odpływu ze zbiornika Nysa celem zmniejszenia ryzyka koincydencji fal Nysy Kłodzkiej z falą odrzańską.
Ograniczenie zrzutów ze zbiorników wodnych kaskady Nysy Kłodzkiej wpływa nie tylko na redukcję wezbrań na samej Nysie Kłodzkiej, odgrywa również decydującą rolę w przejściu wezbrania na Odrze, a tym samym w ochronie przed powodzią miast położonych nad Odrą poniżej ujścia Nysy Kłodzkiej, tj. Brzegu, Oławy i Wrocławia. Błędne przyjęcie wysokości zrzutu ze zbiornika Nysa oraz jego rozkładu w czasie może w istotny sposób rzutować na przebieg wezbrania w Odrze. Dlatego też opracowanie eksperckiej metody gospodarowania wodą na zbiornikach retencyjnych Otmuchów i Nysa ma zasadnicze znaczenie z punktu widzenia społecznego i gospodarczego dla znacznej części doliny Nysy Kłodzkiej i Odry, z równoczesnym ograniczeniem naruszenia równowagi przyrodniczej. Po powodzi w 1997 roku zostały znacznie zwiększone rezerwy powodziowe (w miesiącach letnich) na zbiornikach retencyjnych Otmuchów i Nysa, łącznie o około 70 mln m 3 Ta rezerwa jest w dyspozycji Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej we Wrocławiu od 15 czerwca do 15 września (w okresie największego zagrożenia powodziowego). W pozostałym okresie roku rezerwy powodziowe na zbiornikach zwiększono o 15 mln m 3 od 1998 roku. Ponadto w roku 2002 oddano do eksploatacji zbiorniki Topola i Kozielno, których łączna pojemność powodziowa wynosi 10 mln m 3 Dodatkowo przekazywana jest wcześniej informacja o wielkości dopływów do zbiorników suchych Międzygórze i Stronie Śląskie, co pozwala na wyprzedzające podejmowanie decyzji o wielkości odpływu z kaskady zbiorników Otmuchów-Nysa i w konsekwencji przyczynia się do znacznej redukcji przepływów wezbraniowych na Nysie Kłodzkiej.
6.1. Zasady sterowania systemem zbiorników Otmuchów i Nysa podczas przepływów maksymalnych o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10%
Dla wezbrań o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10% i to zarówno na Odrze, jak i na Nysie Kłodzkiej, gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów powinna być prowadzona w następujący sposób:
− od początku wezbrania należy ograniczyć odpływ z tego zbiornika do wielkości odpowiadającej przełykowi turbin, tj. Q = 40 m 3/s;
− po wypełnieniu rezerwy powodziowej stałej należy rozpocząć transformację fali w strefie rezerwy powodziowej forsowanej, co przy utrzymaniu odpływu tylko przez przelew boczny pozwala na jej maksymalne wykorzystanie.
Taki sposób postępowania w przypadku górnego zbiornika Otmuchów, zaopatrzonego w przelew powierzchniowy z kanałem ulgi wpadającym bezpośrednio do zbiornika Nysa oraz dużego dopływu do tego zbiornika ze zlewni różnicowej, gwarantuje lepszą redukcję fali powodziowej na Nysie Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa i na samej Orze.
Gospodarka wodna na zbiorniku Nysa powinna być prowadzona w następujący sposób:
− po otrzymaniu prognozy zapowiadającej wystąpienie opadów w zlewni Nysy Kłodzkiej mogących spowodować utworzenie się fali o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10, należy rozpocząć zrzut ze zbiornika Nysa zwiększając go stopniowo do wartości 100 m 3/s. Zrzut ten nie utrudni operacyjnego kładzenia jazu kozłowo-iglicowego Ujście Nysy;
− po wstrzymaniu żeglugi na Odrze i położeniu jazu Ujście Nysy należy zwiększyć zrzut do 150 m 3/s (tj. do przepływu nieszkodliwego w dolinie poniżej zbiornika Nysa);
− zrzut 150 m 3/s należy utrzymywać do czasu wzrostu dopływu do zbiornika Nysa do 150 m 3/s;
− następnie w miarę wzrostu dopływu do zbiornika Nysa należy zwiększać odpływ ze zbiornika Nysa wg funkcji dopływu do wartości 250 m 3/s;
− w celu redukcji fali powodziowej na rzece Odrze należy zmniejszyć odpływ ze zbiornika Nysa w momencie osiągnięcia przepływu maksymalnego w przekroju wodowskazowym Miedonia. Zmniejszenie odpływu może w tym przypadku być ograniczone do wartości 50-100 m 3/s w zależności od aktualnej rezerwy powodziowej. Stosując większy zrzut w pierwszej fazie wezbrania, uzyskuje się większe możliwości redukcji przepływu maksymalnego na Odrze;
− po przejściu kulminacji w ujściu Nysy Kłodzkiej do Odry należy stopniowo zwiększać odpływ ze zbiornika Nysa do wartości 250 m 3/s celem odtworzenia rezerw powodziowych na zbiornikach Otmuchów i Nysa.
Rys. 46. Gospodarka wodna dla kaskady zbiorników Otmuchów-Nysa przy wezbraniach o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10%
Biorąc pod uwagę fakt, że czas przemieszczania się fali Nysy Kłodzkiej od zbiornika Nysa do ujścia do rzeki Odry jest krótszy niż czas przemieszczania się fali na Odrze na odcinku od wodowskazu Miedonia do ujścia Nysy Kłodzkiej oraz, że kulminacja na rzece Nysie Kłodzkiej z reguły występuje wcześniej niż na rzece Odrze, zasadnym jest stosowanie wysokich zrzutów ze zbiornika Nysa w pierwszej fazie wezbrania, niepowodujących jednak istotnych strat w dolinie poniżej tego zbiornika.
Na rysunku 46 przedstawiono schemat sterowania zbiornikami retencyjnymi Otmuchów i Nysa podczas wezbrania powodziowego na Nysie Kłodzkiej o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10%.
6.2. Zasady sterowania systemem zbiorników Otmuchów i Nysa podczas przepływów maksymalnych o prawdopodobieństwie przewyższenia p < 1%
Opad trzydniowy lub dłużej trwający, przy dobowym opadzie przekraczającym 150 mm i średnim opadzie w zlewni przekraczającym 250 mm, może spowodować wezbranie podobne do katastrofalnej powodzi w lipcu 1997 roku, tj. o prawdopodobieństwie przewyższenia p < 1%.
Dla tego rodzaju wezbrań, zarówno na Nysie Kłodzkiej i Odrze, gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów powinna być prowadzona w następujący sposób: − należy ograniczyć odpływ od początku wezbrania do wartości 40 m 3/s odpowiadającej maksymalnemu wydatkowi turbin;
− przy dalszym wzroście poziomu zwierciadła wody w tym zbiorniku i po wypełnieniu rezerwy powodziowej stałej nastąpi samoczynny zrzut wody przez przelew stały w Ściborzu i transformacja fali w strefie rezerwy powodziowej forsowanej.
Ograniczenie odpływu ze zbiornika Otmuchów w pierwszej fazie powodzi pozwala na maksymalne wykorzystanie rezerwy powodziowej forsowanej, odciążając tym samym w zasadniczy sposób położony poniżej zbiornik Nysa. Postępowanie na zbiorniku Otmuchów jest analogiczne, jak przy redukcji fal o prawdopodobieństwie 1-10%, jednak w tym przypadku następuje maksymalne wykorzystanie rezerwy powodziowej forsowanej.
Natomiast gospodarka wodna na zbiorniku Nysa powinna być realizowana w następujący sposób:
− po otrzymaniu prognozy meteorologicznej, zapowiadającej wystąpienie opadów o czasie trwania 2-3 dni z możliwością przekroczenia wartości 100150 mm w ciągu doby, należy zwiększyć zrzut wody ze zbiornika Nysa do wartości 100 m 3/s;
− po wstrzymaniu żeglugi na Odrze i położeniu jazu Ujście Nysy należy rozpocząć stopniowe zwiększanie zrzutów ze zbiornika Nysa do wartości 250 m 3/s;
− po wystąpieniu intensywnych opadów deszczu oraz możliwości pojawienia się dalszych opadów mogących w sumie przekroczyć 200 mm należy zwiększyć odpływ ze zbiornika Nysa do wartości 400 m 3/s. Nałożenie się wezbrania z Nysy Kłodzkiej i Białej Głuchołaskiej, dające sumaryczny przepływ w przekroju zapory tego zbiornika wyższy od 2 000 m 3/s, stwarza zagrożenie wystąpienia wezbrania o prawdopodobieństwie niższym niż 1%;
− dalsze zwiększanie odpływu ze zbiornika Nysa realizować należy przy zachowaniu zasady odpływ = dopływ;
− po otrzymaniu prognozy dotyczącej objętości wezbrania dopływającego do zbiornika Otmuchów i objętości wezbrania z Białej Głuchołaskiej oraz prognozy przepływu maksymalnego w przekroju wodowskazowym Miedonia na Odrze należy skonfrontować prognozowane objętości wody dopływającej do zbiornika Otmuchów z wolną pojemnością tego akwenu i określić wielkość zrzutu ze zbiornika Otmuchów. Następnie należy porównać objętość wezbrania dopływającego do zbiornika Nysa ze zlewni różnicowej, tj. z rzek Białej Głuchołaskiej, Świdnej, Widnej i Raczyny oraz zrzutu ze zbiornika Otmuchów z wolną pojemnością zbiornika Nysa i ustalić zrzut z tego zbiornika (dla fali z 1997 roku zrzut maksymalny wynosiłby 600 m 3/s);
− tak ustalony zrzut należy utrzymywać do czasu zrównania się go z dopływem;
− zmniejszenie zrzutów ze zbiornika Nysa powinno się odbywać według krzywej dopływu do zbiornika Nysa w fazie opadania;
− po przejściu kulminacji na Odrze w przekroju ujścia Nysy Kłodzkiej odpływ ze zbiornika Nysa powinien być utrzymany w wysokości 400 m 3/s celem odtworzenia rezerw powodziowych na obu zbiornikach. Na rysunku 47 przedstawiono schemat sterowania zbiornikami retencyjnymi
Otmuchów i Nysa podczas wezbrania powodziowego na Nysie Kłodzkiej o prawdopodobieństwie przewyższenia p <1%, według opracowanych przez autora zasad sterowania (sytuacja wyjątkowego zagrożenia przy braku rezerw powodziowych dla redukcji fali na rzece Odrze).
Rys. 47. Gospodarka wodna dla kaskady zbiorników Otmuchów-Nysa przy wezbraniach o prawdopodobieństwie przewyższenia p < 1%
W sterowaniu gospodarką wodną na kaskadzie zbiorników w czasie wezbrań powodziowych w zlewni Nysy Kłodzkiej należy również uwzględnić możliwość koincydencji fal Nysy Kłodzkiej i Odry. Kulminacja wezbrania na Nysie Kłodzkiej występuje z reguły około jednej doby wcześniej niż na Odrze. Zrzut ze zbiornika Nysa powinien zostać ograniczony w momencie wystąpienia przepływu maksymalnego w przekroju wodowskazowym Miedonia. Takie postępowanie można zastosować, gdy dysponuje się rezerwą powodziową na kaskadzie zbiorników Nysa-Otmuchów. Jednak przy tak katastrofalnych wezbraniach powodziowych, jak w 1997 roku, rezerwy są wykorzystywane przede wszystkim w celu zminimalizowania strat w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa. Udział Nysy Kłodzkiej w przepływach maksymalnych rzeki Odry może stanowić nawet 50%. Proponowana gospodarka wodna na kaskadzie zbiorników może ten udział ograniczyć do 20-30%. Gdybyśmy chcieli prowadzić gospodarkę wodną na kaskadzie zbiorników ukierunkowaną na redukcję fali na Odrze i znacznie zmniejszyć odpływ ze zbior-
Rys. 48. Gospodarka wodna dla kaskady zbiorników Otmuchów-Nysa przy wezbraniach o prawdopodobieństwie przewyższenia p < 1% z ograniczeniem odpływu ze zbiornika Nysa w czasie przemieszczania się kulminacji na Odrze
nika Nysa podczas przemieszczania się kulminacji fali na rzece Odrze, takiej jak w 1997 roku, to maksymalny odpływ ze zbiornika Nysa musiałby wynosić 800 m3/s (rysunek 48). Spowodowałoby to jednak większe szkody w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika niż przy transformacji fali powodziowej nastawionej na minimalizację strat w tym rejonie.
6.3. Zasady sterowania na zbiornikach Topola i Kozielno podczas wezbrań powodziowych
ZBIORNIK TOPOLA
W roku 2002 oddano do eksploatacji zbiorniki Topola i Kozielno położone powyżej zbiorników Otmuchów i Nysa, które współpracują w kaskadzie Nysy Kłodzkiej z tymi akwenami. Oddanie do eksploatacji zbiorników Topola i Kozielno nie wpłynęło w istotny sposób na redukcję większych wezbrań. Transformacja wezbrania o wartości Qmax ≥ 600 m 3/s (co odpowiada prawdopodobieństwu przewyższenia p = 10%) na zbiornikach Topola i Kozielno jest praktycznie nieistotna (odpływ jest bliski dopływowi). W tej sytuacji opracowane przez autora zasady transformacji fal przez zbiorniki Otmuchów i Nysa dla prawdopodobieństw przewyższenia wezbrań powodziowych p <10% są aktualne i powinny być nadal stosowane dla całej kaskady Topola-Kozielno-Otmuchów i Nysa.
Gospodarka wodna na zbiorniku Topola prowadzona jest według aktualnych dwóch scenariuszy, po osiągnięciu stanu ostrzegawczego z tendencja wzrostową na wodowskazie osłonowym Bardo:
− scenariusza pasywnego określonego jako Utrzymanie NPP (normalnego poziomu piętrzenia równego 229,00 m n.p.m.), w którym klapy są kładzione bez ingerencji operatora w miarę wzrostu dopływu. Odbywa się to przez system automatyki (w warunkach awaryjnych ręcznie). Zamknięcia klapowe budowli zrzutowej zbiornika nie są przystosowane do przepuszczania wezbrań powodziowych ponad klapami ustawionymi w pozycji skrajnej górnej. Taka konstrukcja klap, jak również wyposażenie zbiornika w przelew powodziowy stały powodują, że zarządzający zbiornikiem mają ograniczone możliwości manewrowania rezerwą powodziową. Rezerwa powodziowa wypełniana jest samoczynnie przy podniesieniu się zwierciadła wody w zbiorniku ponad NPP, po położeniu klap w położenie skrajne dolne. Kładzenie zamknięć i sukcesywne zwiększanie odpływu następuje z zachowaniem poziomu NPP aż do całkowitego położenia klap na progu. Dalszy wzrost dopływu powoduje wypełnienie rezerwy powodziowej stałej, a następnie rezerwy forsowanej. Po całkowitym położeniu klap na progu odpływ ze zbiornika przestaje być sterowany, a udział obsługi ogranicza się do obserwacji zapory. Wydatek przelewu przy całkowicie położonych klapach i rzędnej piętrzenia NPP wynosi 639 m 3/s. W przypadku wystąpienia wezbrania o przepływie 639 m 3/s lub niższym, poziom wody w zbiorniku w czasie przejścia fali należy utrzymywać na poziomie NPP. Transformacja wezbrania tej wielkości będzie praktycznie zerowa, gdyż w tym przypadku odpływ ze zbiornika jest równy dopływowi do niego.
− scenariusza aktywnego określanego jako Zrzut Wyprzedzający, w którym po analizie wielkości i charakteru prognozowanego wezbrania wypracowuje się dodatkową rezerwę powodziową pozwalającą uzyskać maksymalny stopień redukcji kulminacji lub czasu trwania fali w danych warunkach hydrologicznych. Przy niższych wezbraniach można wykorzystać niewielką pojemność powodziową zbiornika bardziej efektywnie stosując zrzut wyprzedzający. Symulacje transformacji wezbrań na zbiorniku wykonane przez Hydroprojekt Wrocław pozwoliły na określenie granicznej wielkości wezbrania, po przekroczeniu której odpływ ze zbiornika przestaje być sterowalny. Wezbrania redukowalne w sposób efektywny, poprzez sterowanie odpływem w formie zrzutu wyprzedzającego, nie powinny przekroczyć granicznej wielkości Q = 600 m 3 /s, co odpowiada prawdopodobieństwu przewyższenia p = 10%. W przypadku wezbrań o przepływach wyższych od 600 m 3/s wielkość przygotowanej rezerwy nie daje zauważalnych efektów redukcji maksymalnego natężenia przepływu.
ZBIORNIK KOZIELNO
Prowadzenie gospodarki wodnej w okresie wezbrań powodziowych odbywa się po przekroczeniu przepływu Q = 263 m3 /s w przekroju wodowskazowym Bardo, któremu w przekroju zapory odpowiada przepływ Q ≈ 300 m 3 /s (zbiornik Topola nie redukuje przepływów powodziowych w istotny sposób). Po wprowadzeniu stanu alarmu powodziowego gospodarkę wodną powinna się opierać na dwóch scenariuszach:
− scenariusza pasywnego określonego jako Utrzymanie NPP, w którym klapy są sukcesywnie kładzione przez system automatyki w miarę wzrostu dopływu lub ręcznie w warunkach awaryjnych. Według takiego scenariusza w systemie zbiorników Topola i Kozielno odpływ będzie równy dopływowi bez redukcji fali. Maksymalna przepustowość budowli zrzutowej przy NPP wynosi
Q = 1 220 m 3 /s. Tej wartości w przekroju wodowskazowym Bardo odpowiada przepływ Q = 1 070 m3/s i stan H = 590 cm. Przy wzroście dopływu do zbiornika Kozielno ponad ten przepływ, wypełnieniu ulega rezerwa powodziowa stała, a następnie rezerwa forsowana.
− scenariusza aktywnego określonego jako Zrzut Wyprzedzający. Jeżeli spodziewane wezbranie na odpływie ze zbiornika Kozielno znacznie przekroczy
Qdoz = 300 m 3/s, to obligatoryjnie należy rozpocząć działania w celu redukcji wezbrania. Jednak możliwości redukcji tych wezbrań są mocno ograniczone. Przy dopływie do zbiornika Kozielno większym od 500 m 3/s, odpływ ze zbiornika przekroczy wartość Qdoz = 300 m 3/s. Wdrożenie scenariusza Zrzut Wyprzedzający pozwala uzyskać redukcję wezbrania z Q = 500 m 3/s do Q = 425 m3/s na zbiorniku Kozielno. Dopływ do zbiornika 500 m 3/s odpowiada przepływowi w przekroju wodowskazowym Bardo Q = 440 m3/s przy stanie H = 385 cm. Wraz z dalszym wzrostem wezbrania możliwości redukcyjne zbiornika Kozielno i Topola maleją w sposób istotny. Efekty redukcyjne uzyskiwane dzięki zrzutom przygotowanym możliwe są przy wezbraniach o przepływach około 600 m 3/s, co odpowiada prawdopodobieństwu przewyższenia około p = 10%. Przy wezbraniach wyższych odpływ ze zbiornika Kozielno będzie równy dopływowi bez możliwości redukcji fali.
6.4. Weryfikacja opracowanych zasad sterowania kaskadą zbiorników Nysy Kłodzkiej na podstawie wezbrań z 2001, 2009 i 2010 roku
Opracowane przez autora zasady sterowania kaskadą zbiorników Otmuchów-Nysa zostały zastosowane w Regionalnym Zarządzie Gospodarki Wodnej we Wrocławiu i sprawdziły się podczas wezbrań w 2001 i w 2010 roku. Zasady te zostały przedstawione w artykule [Kosierb 2003].
WEZBRANIE W 2001 ROKU
Weryfikację opracowanych zasad sterowania systemem zbiorników (rozdz. 6.1) przeprowadzono na danych niezależnych, tj. na wezbraniu z 2001 roku na Odrze i na Nysie Kłodzkiej. Temu wezbraniu przypisano, na podstawie prawie 107-letniej serii obserwowanych danych, prawdopodobieństwo przewyższenia p >10%.
Na Odrze w dniach 18-30 lipca 2001 roku stany wody utrzymywały się w strefie stanów alarmowych, osiągając na wodowskazie w Miedonii stan 662 cm w dniu 28 lipca o godz. 2:00. Długotrwające, 12-dniowe wezbranie spowodowało znaczne przekroczenie stanów alarmowych, największe na stacjach wodowskazowych Brzeg Most (o 190 cm) i Oława (o 184 cm), najmniejesze na stacji Trestno (o 51 cm). W porównywalnym czasie wystąpiło również wezbranie na Nysie Kłodzkiej.
Wzrost dopływów do zbiornika Otmuchów wystąpił dnia 21 lipca, osiągając maksymalną wartość 214 m 3/s. Drugi szczyt wystąpił 26 lipca i wyniósł 173 m3/s. Przed nadejściem pierwszej fali zbiornik był napełniony do pojemności 33,39 mln m 3 , a więc poniżej obniżonego normalnego poziomu piętrzenia. Od początku wezbrania odpływ ze zbiornika został ograniczony do 40 m 3/s. Pozwoliło to na zredukowanie przepływu maksymalnego z wartości 214 m 3/s do 80 m 3/s, a jednocześnie na przygotowanie odpowiedniej rezerwy na zbiorniku Nysa, niezbędnej do redukcji odpływu w okresie przemieszczania się kulminacji na rzece Odrze.
W okresie redukcji fali na Nysie Kłodzkiej zbiornik Otmuchów został wypełniony do pojemności 77,82 mln m 3 , a więc częściowo została wykorzystana rezerwa powodziowa stała (rysunek 49).
Istotny wzrost dopływów do zbiornika Nysa wystąpił 18 lipca i od tego okresu rozpoczęto systematyczne zwiększanie odpływu z akwenu do wartości odpływu nieszkodliwego w wysokości 150 m 3/s. Zbiornik Nysa przed nadejściem wezbrania był napełniony do pojemności 33,84 mln m 3 , a więc posiadał dodatkową rezerwę przypadkową. Maksymalny dopływ do zbiornika wystąpił 28 lipca i wynosił 168 m 3/s. Napełnienie zbiornika związane z redukcją fali na rzece Białej Głuchołaskiej i Nysie Kłodzkiej wynosiło 48,38 mln m 3 , a więc w granicach normalnego piętrzenia w okresie letnim. Ze względu na potrzebę redukcji fali na rzece Odrze odpływ 150 m 3/s utrzymywano do 27 lipca. Wówczas odpływ ze zbiornika Nysa ograniczono do 100 m 3/s, a nazajutrz do 50 m 3/s – wszystko to w odpowiedzi na prognozowaną na 28 lipca kulminację na wodowskazie Miedonia. W okresie zmniejszonych zrzutów, ze względu na przemieszczanie się kulminacji na rzece Odrze, zbiornik Nysa został wypełniony do pojemności 60,92 mln m 3 (rysunek 50).
Prowadzona w 2001 roku gospodarka wodna na zespole zbiorników Otmuchów-Nysa pozwoliła na zredukowanie maksymalnego sumarycznego dopływu do zbiornika Nysa z 342 m3/s do 150 m 3/s. W okresie przemieszczania się kulminacji na rzece Odrze został znacznie ograniczony odpływ ze zbiornika Nysa do wartości 50 m3/s.
Rys. 49. Gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów podczas wezbrania w 2001 roku
Rys. 50. Gospodarka wodna na zbiorniku Nysa podczas wezbrania w 2001 roku
Ze względu na duże rezerwy przypadkowe oraz fakt, że zrzut ze zbiornika Nysa w wysokości 150 m 3/s jest przepływem, powyżej którego występują już straty powodziowe, nie dokonano wyprzedzających zrzutów wody z tego zbiornika, a odpływ zwiększano systematycznie w miarę wzrostu dopływu.
Należy podkreślić, że zastosowanie Zasad sterowania zbiornikami Otmuchów-Nysa pozwoliło na uniknięcie strat w dolinie Nysy Kłodzkiej. Również w okresie przemieszczania się kulminacji na rzece Odrze odpływ ze zbiornika Nysa został ograniczony do 50 m 3/s, co miało zasadniczy wpływ na redukcję fali na tej rzece.
WEZBRANIE W CZERWCU 2009 ROKU
Podczas wezbrania nie zastosowano cytowanych Zasad gospodarowania wodą na zbiornikach Otmuchów i Nysa (autor nie prowadził gospodarki wodnej na zbiornikach w tym okresie), co było przyczyną wystąpienia wysokich zrzutów ze zbiornika Nysa.
Opady, które rozpoczęły się 22 czerwca spowodowały wzrost dopływów do zbiornika Otmuchów na Nysie Kłodzkiej już w godzinach popołudniowych następnego dnia. Również w tym dniu zaznaczył się wzrost dopływów do zbiornika Nysa ze zlewni Białej Głuchołaskiej, Świdnej, Widnej i Raczyny.
Maksymalne dopływy do zbiorników Otmuchów i Nysa spowodowane były drugim okresem gwałtownych opadów, które wystąpiły 25 i 26 czerwca. Maksymalny dopływ do zbiornika Nysa 27 czerwca o godz. 10:00 wyniósł 360 m 3/s, tego samego dnia o godz. 19:00 zanotowano maksymalny dopływ do zbiornika Otmuchów w wysokości 358 m3/s
Zrzuty ze zbiornika Otmuchów, w wysokości 30-40 m 3/s, były utrzymywane od początku wezbrania aż do 27 czerwca do godz. 24:00. Następnie zwiększano je sukcesywnie do wartości 150 m 3/s w dniu 28 czerwca o godz. 13:00. W kolejnym dniu, od godz. 13:00, zmniejszono odpływ ze zbiornika do wartości 100 m3/s i tym odpływem opróżniono zbiornik do normalnego poziomu piętrzenia. Taka gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów pozwoliła na zredukowanie przepływu kulminacyjnego na Nysie Kłodzkiej z 358 m 3/s do 150 m 3/s, przy częściowym wypełnieniu rezerwy powodziowej stałej do wielkości 88,76 mln m 3 (rysunek 51).
Zrzuty ze zbiornika Nysa zwiększono 24 czerwca od godz. 10:00 do 70 m 3/s, a w dniu 25 czerwca od godz. 10:00 do 100 m 3/s. Ten odpływ, równy 100 m 3/s, utrzymywano do 26 czerwca do godz. 16:00. Następnie zwiększano go sukcesywnie do wartości 350 m 3/s (27 czerwca o godz. 16:00). Po kulminacji fali na zbiorniku Nysa odpływ z tego zbiornika zmniejszano sukcesywnie do wartości 150 m 3/s i tym odpływem (nieszkodliwym dla miejscowości Lewin Brzeski położonej poniżej zbiornika Nysa) opróżniono zbiornik do poziomu normalnego piętrzenia. Tak prowadzona gospodarka wodna na zbiorniku Nysa pozwoliła na zredukowanie maksymalnego odpływu z 360,7 m 3/s do 350 m 3/s, przy częściowym tylko wypełnieniu rezerwy powodziowej stałej do wartości 65,24 mln m 3 (rysunek 52).
W wyniku prowadzonej gospodarki wodnej w czasie tego wezbrania uzyskano jedynie redukcję wezbrania na zbiorniku Nysa z 360,7 m 3/s do 350 m 3/s. Redukcja ta mogłaby być większa, gdyby zastosowano opracowane zasady dla przepływów o p = 1-10%. Zgodnie z tymi zasadami należałoby:
− ograniczyć odpływ ze zbiornika Otmuchów od początku wezbrania do wielkości odpowiadającej przepływowi turbin Q = 40 m 3/s;
Rys. 51. Hydrogram dopływu i odpływu oraz pojemność zbiornika Otmuchów, wezbranie 2009 roku
Rys. 52. Hydrogram dopływu i odpływu oraz pojemność zbiornika Nysa, wezbranie 2009 roku
− po wypełnieniu rezerwy powodziowej stałej rozpocząć transformację fali w strefie rezerwy powodziowej forsowanej, co pozwoliłoby na jej maksymalne wykorzystanie.
Natomiast na zbiorniku Nysa:
− po otrzymaniu prognozy z IMGW, zapowiadającej wystąpienie opadów mogących spowodować utworzenie się fali o prawdopodobieństwie przewyższenia 1-10%, należy rozpocząć zrzut od wartości 100 m 3/s. Jednocześnie należałoby przerwać żeglugę na Odrze i przystąpić do położenia jazu iglicowego Ujście Nysy;
− po wstrzymaniu żeglugi i położeniu jazu iglicowego Ujście Nysy zwiększyć zrzut ze zbiornika do 150 m 3/s (przepływu niepowodującego szkód poniżej zbiornika Nysa);
− utrzymywać zrzut do czasu wzrostu dopływu do tego zbiornika do 150 m 3/s;
− po przekroczeniu dopływu 150 m 3/s należałoby zadysponować zrzut równy dopływowi do 250 m 3/s;
− w czasie przechodzenia kulminacji fali przez zbiornik Nysa utrzymać zrzut 250 m3/s.
Prowadzona zgodnie z omówionymi zasadami gospodarka wodna na zbiornikach Otmuchów-Nysa pozwoliłaby na ograniczenie odpływu ze zbiornika Nysa do wartości 250 m 3/s przy częściowym tylko wypełnieniu rezerwy powodziowej stałej.
WEZBRANIE W MAJU 2010 ROKU
Opady deszczu, które wystąpiły w dniach 14-18 maja 2010 roku nie spowodowały znaczącego wzrostu stanów wody na wodowskazach w zlewni Nysy Kłodzkiej, co znajduje potwierdzenie w ich przestrzennym rozkładzie (rysunek 53). Natomiast intensywne opady w drugiej dekadzie maja, które wystąpiły na górnej Odrze i w zlewniach jej prawostronnych dopływów, tj. Ostravicy i Olzy, miały decydujący wpływ na wielkość wezbrania na górnej i środkowej Odrze.
Poniżej Opola fala odrzańska została zasilona dopływem z rzeki Mała Panew w wysokości około 100 m 3/s, znacznie jednak zredukowanym przez zbiornik Turawa. W przekroju ujścia Nysy Kłodzkiej rzeka Odra otrzymała tylko nieznaczne ilości wody z rzeki Nysy Kłodzkiej. Niewielki dopływ z Nysy Kłodzkiej, w wysokości 40 m 3/s, był wynikiem dobrej gospodarki wodnej na kaskadzie zbiorników Otmuchów-Nysa, zbliżonej do opracowanych przez autora zasad. W związku z przemiesz-
Rys. 53. Rozkład przestrzenny opadów w dorzeczu górnej i środkowej Odry w dniach 14-18 maja 2010 roku
czającą się kulminacją fali powodziowej na Odrze, 18 maja o godz. 9:00 zmniejszono odpływ ze zbiornika Nysa z 150 do 90 m 3/s, a ze zbiornika Otmuchów z 80 do 50 m 3/s. Następnie 19 maja, od godz. 10:00, zmniejszono zrzut wody ze zbiornika Nysa z 90 do 40 m 3/s, a ze zbiornika Otmuchów z 50 do 20 m 3/s (gospodarkę wodną na zbiornikach w okresie wezbrania w 2010 roku przedstawiono na rysunkach 54-57).
Zastosowanie gospodarki wodnej na kaskadzie zbiorników Nysy Kłodzkiej zbliżonej do opracowanych zasad pozwoliło w 2010 roku na redukcję fali wezbraniowej na Nysie Kłodzkiej, ale przede wszystkim na ograniczenie odpływu ze zbiornika Nysa w okresie przemieszczania się kulminacji na Odrze. Miało to wpływ
Rys. 54. Gospodarka wodna na zbiorniku Topola podczas wezbrania w 2010 roku
Rys. 55. Gospodarka wodna na zbiorniku Kozielno podczas wezbrania w 2010 roku
Rys. 56. Gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów podczas wezbrania w 2010 roku
Rys. 57. Gospodarka wodna na zbiorniku Nysa podczas wezbrania w 2010 roku
na zmniejszenie przepływu powodziowego w rejonie Wrocławia, tym bardziej, że przepływ maksymalny we Wrocławskim Węźle Wodnym wyniósł w maju 2010 roku około 2 200 m 3/s i był przepływem granicznym dla tego hydrowęzła. Bez ograniczenia zrzutów ze zbiorników kaskady Nysy Kłodzkiej straty na terenie województwa dolnośląskiego byłyby nieznacznie wyższe.
REASUMUJĄC
Sposób prowadzenia gospodarki wodnej na zbiornikach kaskady Nysy Kłodzkiej w czasie wezbrań historycznych rozpatrywano w następujących okresach:
− wezbrania powodziowe w latach 1977-1997, tj. przed opracowaniem nowych zasad sterowania kaskadą zbiorników Otmuchów i Nysa (wezbrania z roku 1977, 1985, 1997);
− wezbrania od 1997 do 2002 roku, tj. przed oddaniem do eksploatacji nowych zbiorników Topola i Kozielno (wezbranie w 2001 roku);
− wezbrania po roku 2002, z uwzględnieniem zaktualizowanej gospodarki wodnej na wszystkich czterech zbiornikach retencyjnych kaskady, tj. zbiorników Nysa, Otmuchów, Kozielno i Topola (wezbrania z roku 2006, 2009, 2010). W analizowanym okresie maksymalne dopływy do zbiornika Otmuchów wynosiły od 440 do 2 156 m 3/s. Prezentację gospodarki wodnej na zbiornikach Otmuchów i Nysa z poszczególnych lat przedstawiono na wykresach (rysunki 40-45) zawierających następujące dane:
− napełnienie, dopływ i odpływ ze zbiorników Otmuchów i Nysa (na podstawie danych z książek gospodarki wodą na zbiornikach);
− przepływy na wodowskazach osłonowych tych zbiorników, tj. Głuchołazy na Białej Głuchołaskiej i Bardo na Nysie Kłodzkiej;
− stany na wodowskazach rzeki Odry w przekroju Miedonia.
7. KONCEPCJA INTEGRALNEGO SYMULACYJNEGO MODELU
HYDROLOGICZNO-GOSPODARCZEGO NYSY KŁODZKIEJ
Kompleksowa analiza, synteza i ocena zlewni Nysy Kłodzkiej pod kątem:
− fizycznogeograficznym;
− znajdujących się w niej obiektów hydrotechnicznych;
− występowania maksymalnych zdarzeń meteorologicznych i hydrologicznych;
− istniejących i opracowanych modeli typu opad-odpływ;
− opracowanych i zweryfikowanych zasad sterowania kaskadą zbiorników retencyjnych;
− zbioru danych hydrologiczno-meteorologicznych; dały podstawy do opracowania modelu matematycznego systemu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej przedstawionego w postaci diagramu (rysunek 61). Literatura poświęcona metodom tworzenia modeli hydrologicznych jest stosunkowo bogata [Beven 2012]. Dla tak dużego i skomplikowanego systemu, jakim jest zlewnia Nysy Kłodzkiej wraz ze zbiornikami wodnymi, nie można jednak budować modeli uniwersalnych. Powody istotne są przynajmniej dwa:
− złożoność procesów przyrodniczych (opad, odpływ, parowanie, infiltracja, itp.);
− brak dostatecznej wiedzy o dynamicznych właściwościach procesów hydrologiczno-meteorologicznych.
Dokonując wyboru odpowiedniej struktury symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego, uwzględniono następujące czynniki:
− przeznaczenie modelu (prognoza dopływu fali do zbiorników);
− stopień poznania wewnętrznej struktury systemu i jego właściwości dynamicznych (rozdz. 3);
− możliwości identyfikowania parametrów modelu systemu, takich jak np. współczynnik szorstkości, współczynnik odpływu powierzchniowego itp. (rozdz. 3.1-3.5).
Celem modelowania jest uzyskanie wiarygodnego modelu hydrologiczno-gospodarczego, który umożliwia prześledzenie metodą symulacyjną sposobów zachowania się systemu w różnych warunkach prognozowanego opadu (rysunek 58).
W monografii wykorzystano gotowe modele (rozdz. 3), których przydatność została sprawdzona przez innych badaczy [Szymkiewicz 2000, 2002, 2010] oraz
Rys. 58. Proces wielozadaniowego zarządzania gospodarką wodną z uwzględnieniem ryzyka
własne weryfikowane modele w IMGW-PIB Oddział Wrocław. Własności procesów uwzględnionych w konstruowanym modelu mają opis matematyczny. Podejście metodyczne w konstruowaniu modelu składało się z następujących etapów:
− uzyskanie formalnego opisu modeli badanych procesów (rozdz. 2, 3 i 4);
− opracowanie ogólnego schematu koncepcji integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego (rys. 59);
− ustalenie algorytmu wyznaczania wartości liczbowych badanych procesów;
− wstępna weryfikacja polegająca na sprawdzeniu zgodności modeli budujących diagram integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego z pomiarami.
Budowę koncepcji modelu hydrologiczno-gospodarczego dla zlewni Nysy Kłodzkiej rozpoczęto od podziału zlewni Nysy Kłodzkiej na obszary mające istotne znaczenie dla formowania się wezbrań (rozdz. 2.4). Są to:
− zlewnia Nysy Kłodzkiej do przekroju wodowskazowego Bardo;
− zlewnia Białej Głuchołaskiej do przekroju wodowskazowego Głuchołazy;
− sieć rzeczna Kotliny Kłodzkiej – Nysa Kłodzka, Biała Głuchołaska, Świdna, Widna i Raczyna;
− zbiorniki Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa.
Kolejnym etapem było opracowanie modelu sterowania pracą urządzeń zrzutowych na zbiornikach oraz wykorzystania istniejących i opracowanych modeli. Zaproponowano następujące modele:
− MIKE 11 NAM – transformacji opadu w odpływ;
− MIKE 11 HD – transformacji fali w sieci koryt rzecznych;
− ModAdmin – przejścia fali przez system zbiorników na Nysie Kłodzkiej;
− HYDROPATH – transformacji opadu w odpływ dla zlewni niekontrolowanych pod względem hydrologicznym.
Integracja nowych modeli z istniejącymi jest znacznie prostsza, lepiej skalowana i znacznie tańsza [Szczepanek 2014]. Jest to przyszłościowe zadanie dla
informatyków. Oprócz schematu koncepcji integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego (rysunek 59), przedstawia się zastosowanie konkretnych modeli symulacyjnych na zlewni Nysy Kłodzkiej (rysunek 60) oraz diagram integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej (rysunek 61).
Diagram proponowanej koncepcji integralnego modelu może być opracowany w wersji synoptycznej, jak i symulacyjnej, jedynie przez doświadczonych informatorów. Integralny model ma z założenia również charakter poznawczy. Służy prezentacji logiki funkcjonowania modelowanych procesów i obiektów, pełniąc funkcję wyjaśniającą. Dostarcza ogólnych wskazówek dotyczących racjonalizacji pracy biur prognoz hydrologicznych, wyznacza postać zasad sterowania zbiornikami retencyjnymi w czasie wezbrań powodziowych. Zweryfikowany i połączony w jeden system może służyć celom heurystycznym i teoretycznym. Jako model rozwojowy rozumiane jest nabywanie, łączenie, kształtowanie i wykorzystanie dostępnej aktualnie wiedzy i umiejętności z dziedziny nauki do prognozowania oraz tworzenia i projektowania nowych ulepszonych produktów, procesów i usług. Przedstawia się go w postaci ogólnego schematu koncepcji oraz diagramu ze ścieżką przejścia wzdłuż profilu podłużnego Nysy Kłodzkiej.
Istniejąca konfiguracja zbiorników i modeli matematycznych (rysunek 60) powoduje, że prognozowana fala wychodząca z Kotliny Kłodzkiej i ze zlewni lewostronnego dopływu Budzówki przechodzi kolejno przez zbiornik Topola i Kozielno, a następnie wpływa do zbiornika Otmuchów. W zależności od wielkości prognozowanego dopływu, następuje redukcja odpływu przez przelew boczny tego zbiornika do kanału ulgi i przez upusty denne. Stransformowane w ten sposób wez-
Rys. 59. Ogólny schemat koncepcji integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej
Rys. 60. Zastosowanie składowych modeli integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego na zlewni Nysy Kłodzkiej
Rys. 61. Diagram integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego „ZDTO” Nysy Kłodzkiej
branie dopływa do zbiornika Nysa, gdzie zostaje powiększone o dopływy boczne ze zlewni Świdna, Widna i Raczyna oraz o wezbranie z Białej Głuchołaskiej. Minimalizacja przepływu maksymalnego, prognozowanego wezbrania dla przekroju wodowskazowego Nysa (poniżej zbiornika Nysa), będącego sumą zrzutów ze zbiornika Otmuchów i dopływów bocznych z rzek Bała Głuchołaska, Świdna, Widna i Raczyna, jest przeprowadzana w trakcie wykonywanych obliczeń symulacyjnych na modelu ModAdmin.
Tak skonfigurowany model dopływu do kaskady zbiorników dla zachowania rzeczywistego układu hydrologicznego jest w konsekwencji modelem rzeki Nysy Kłodzkiej ze zbiornikami. Zawiera on zarówno moduł obliczający odpływ ze zlewni i w postaci przepływu nieustalonego w korytach rzek, jak również moduł transformacji fali przez zbiorniki. Wykonana schematyzacja ma charakter fizyczny ze względu na umieszczenie struktury geometrycznej modelu w fizycznej przestrzeni geograficznej oraz lokalizacji poszczególnych modeli między wydzielonymi elementami systemu.
Współczesne modelowanie hydrologiczne jest nierozerwalnie związane z technologiami informatycznymi. Postęp w budowie modeli integralnych jest znaczący dzięki zrealizowanym projektom w ramach Piątego Ramowego Programu Unii Europejskiej w latach 2001-2005 i 2005-2010 [Szczepanek 2014]. Wstępną weryfikację składowych modeli tworzących model integralny wg diagramu (rysunek 61) przeprowadzono wykorzystując modele MIKE 11 NAM, MIKE 21 HD, HYDROPATH i ModAdmin.
7.1. Wyniki obliczeń symulacyjnych modelem MIKE 11 NAM
Model MIKE 11 NAM (por. rysunek 31) dla Nysy Kłodzkiej do stacji wodowskazowej w Bardzie składa się z jedenastu odrębnych modeli zlewni kontrolowanych przez aktualnie działającą siecią pomiarową (tabela 38). Model do stacji Głuchołazy to jeden model opad-odpływ.
Dane wejściowe do modelu stanowiły:
− sumy godzinowe opadów z czerwca i lipca 1997 roku;
− sumy dekadowe ewapotranspiracji wyznaczonej formułą Penmana na podstawie danych ze stacji synoptycznej Kłodzko dla czerwca i lipca 1997 roku.
Do kalibracji i weryfikacji modelu wykorzystano obserwowane hydrogramy wezbrań dla stacji zamykających zlewnie, ze szczególnym uwzględnieniem stacji wodowskazowej Bardo i Głuchołazy. Dane opadowe w czasie obliczeń zostają zagregowane i uśrednione dla obszaru każdej modelowanej zlewni. Uśrednienie opadu dla zlewni odbywa się automatycznie metodą średniej ważonej dla stacji
Tabela 38. Modelowane zlewnie Nysy Kłodzkiej i Białej Głuchołaskiej
Lp. Rzeka Stacja wodowskazowa
1 Nysa Kłodzka Międzylesie
2 Bystrzyca Kłodzka
3 Bystrzyca Bystrzyca Kłodzka
4 Wilczka Wilkanów
5 Nysa Kłodzka Kłodzko
6 Biała Lądecka Lądek Zdrój
7 Żelazno
8 Bystrzyca Dusznicka Szalejów Dolny
9 Ścinawka Tłumaczów
10 Gorzuchów
11 Nysa Kłodzka Bardo
12 Biała Głuchołaska Głuchołazy
wskazanych w pliku konfigurującym modelu i wag przyjętych do obliczeń. Wagi zostały wyznaczone metodą Thiessona z wykorzystanie dostępnych funkcji pakietu oprogramowania MIKE. Dobór parametrów modelu (rysunek 31), a w szczególności współczynnika spływu odbywa się metodą symulacyjną.
W wyniku kolejnych obliczeń uzyskiwane są hydrogramy odpływów ze wszystkich zlewni zdefiniowanych jako odrębne zlewnie modelu opad-odpływ połączonych ze sobą za pomocą odcinków rzek modelowanych przy użyciu modelu hydrodynamicznego zdefiniowanego w module hydrodynamicznym MIKE 11 HD. Tak określony model obejmuje odcinek Nysy Kłodzkiej od wodowskazu Międzylesie do ujścia Wilczki, odcinek Wilczki do jej ujścia do Nysy Kłodzkiej i dalej Nysą Kłodzką do Barda, przechodząc kolejno wodowskazy Bystrzyca Kłodzka i Kłodzko. Po drodze włączana jest Biała Lądecka, Bystrzyca Dusznicka i Ścinawka. Obliczony modelem typu opad-odpływ hydrogram fali dla przekroju wodowskazowego Głuchołazy na Białej Głuchołaskiej jest transformowany dalej modelem hydrodynamicznym do zbiornika Nysa.
Ostateczny wynik obliczeń modelowych umożliwia uzyskanie hydrogramów odpływu w przekroju stacji wodowskazowej Bardo (rysunek 62) i w przekroju ujścia Białej Głuchołaskiej (rysunek 63).
Ze względu na ograniczoną ilość danych ze stacji opadowych w czasie powodzi w 1997 roku, nie można było lepiej dopasować hydrogramu obliczonego do obserwowanego.
Rys. 62. Hydrogram odpływu obserwowany i symulowany dla rzeki Nysy Kłodzkiej w przekroju wodowskazowym Bardo w okresie od 30 czerwca do 30 lipca 1997 roku
Rys. 63. Hydrogram odpływu obserwowany i symulowany dla rzeki Białej Głuchołaskiej w przekroju wodowskazowym Głuchołazy w okresie od 30 czerwca do 30 lipca 1997 roku
7.2. Wyniki obliczeń symulacyjnych modelem MIKE 21 HD
Doświadczenia autora w prowadzeniu gospodarki wodnej na kaskadzie zbiorników Nysy Kłodzkiej oraz przeprowadzone w tym zakresie badania były pod-
stawą do podjęcia prac projektowych, a następnie realizacji inwestycji w zakresie poprawy warunków przepływu wód wezbraniowych w rejonie Lewina Brzeskiego. Był to obszar decydujący o wielkości odpływów odprowadzanych ze zbiornika Nysa. Zwiększenie przepustowości węzła hydrotechnicznego w rejonie Lewina Brzeskiego przyczyniło się w znacznej mierze do redukcji fal powodziowych nie tylko na samej Nysie Kłodzkiej, lecz również na Odrze. Obliczenia przeprowadzone w niniejszej monografii miały na celu wykazanie skuteczności zrealizowanych inwestycji, poprzez porównanie zasięgów zalewów przed i po modernizacji odcinka Nysy Kłodzkiej od zbiornika Nysa do ujścia do Odry. Wybór modelu wymuszony został przez rodzaj posiadanych danych. Dla modelowanego odcinka pozyskano Numeryczny Model Terenu (NMT) oraz przekroje korytowe. Dla określenia lokalizacji i identyfikacji przepustów drogowych, wałów i dróg wykorzystano Bazę Danych Obiektów Topograficznych (BDOT) oraz ortofotomapy. Z Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej we Wrocławiu oraz z Zarządów Melioracji i Urządzeń Wodnych we Wrocławiu i Opolu otrzymano komplet dokumentacji projektowej i powykonawczej pt. Poprawa ochrony przeciwpowodziowej Lewina Brzeskiego na rzece Nysie Kłodzkiej oraz informacje dotyczące stanu realizacji projektu Modernizacja zbiornika wodnego Nysa w zakresie bezpieczeństwa przeciwpowodziowego – etap I. Wykonanie prac regulacyjnych w rejonie Lewina Brzeskigo wprowadziło istotne zmiany w przepływie wód powodziowych: zmodyfikowano trasę rzeki przed miastem i w środkowej części miasta, rozebrano stary jaz i zasypano młynówkę, wybudowano trzyprzęsłowy jaz klapowy (fot. 1), przebudowano i udrożniono kanał ulgi (fot. 2). Poniżej zbiornika Nysa i w samym mieście Nysa została wykonana regulacja rzeki Nysy Kłodzkiej, polegająca na poszerzeniu koryta, modernizacji jazów oraz wałów w tym rejonie. Dane z tych projektów zostały zdigitalizowane, nadano rzędne obiektom i wprowadzono je do pierwotnego NMT. Uwzględniając posiadane dane i możliwości obliczeniowe wybrano model 2D przy wykorzystaniu aplikacji
MIKE 21 Single Grid firmy DHI. Z uwagi na rozstawę wałów oraz szerokość koryta cieku, przyjęto rozdzielczość modelu 4×4 m. Tak duża dokładność, w stosunku do wielkości analizowanego obszaru (~ 1 200 km2), była niemożliwa do zdefiniowana w jednym modelu. Przy wykorzystaniu platformy MIKE 21 podzielono obszar między zbiornikiem Nysa a Lewinem Brzeskim na trzy mniejsze jednostki. Przy określaniu wstępnych wartości współczynnika szorstkości wykorzystano warstwy
BDOT oraz ortofotomapy.
Obliczenia symulacyjne wykonano dla dwóch wariantów [Kosierb 2016]:
− wariant zerowy uwzględniający zabudowę regulacyjną na odcinku od zapory zbiornika Nysa do ujścia rzeki Nysy Kłodzkiej do Odry, przed zrealizowaniem inwestycji hydrotechnicznych w rejonie miasta Nysa i Lewina Brzeskiego;
− wariant inwestycyjny dotyczący zasięgu zalewu dla przepływów, jak w wariancie zerowym, z uwzględnieniem inwestycji zrealizowanych w 2013 i 2014 roku. Dla analizowanego odcinka uwzględniono w modelu dwie inwestycje: pierwsza dotyczyła przebudowy węzła wodnego Nysy Kłodzkiej w Lewinie Brzeskim, a druga zwiększenia przepustowości koryta i międzywala Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa. Dla obu wariantów (zerowego i inwestycyjnego) przeprowadzono symulacje zrzutów ze zbiornika retencyjnego Nysa w wysokości 400, 600 i 800 m3/s i określono odpowiadające im powierzchnie zalewu (rysunki 64-69). Założono, że zrzut ze zbiornika Nysa odbywa się w sposób „ quasi” ustalony i że brak jest znaczącego dopływu ze zlewni różnicowej poniżej zbiornika Nysa.
Rys. 64. Zasięg zalewu w rejonie Lewina Brzeskiego dla wariantu zerowego przy zrzucie 400 m3/s
Rys. 65. Zasięg zalewu w rejonie Lewina Brzeskiego dla wariantu inwestycyjnego przy zrzucie 400 m3/s
Rys. 66. Zasięg zalewu w rejonie Lewina Brzeskiego dla wariantu zerowego przy zrzucie 600 m3/s
Rys. 67. Zasięg zalewu w rejonie Lewina Brzeskiego dla wariantu inwestycyjnego przy zrzucie 600 m3/s
Rys. 68. Zasięg zalewu w rejonie Lewina Brzeskiego dla wariantu zerowego przy zrzucie 800 m3/s
Rys. 69. Zasięg zalewu w rejonie Lewina Brzeskiego dla wariantu inwestycyjnego przy zrzucie 800 m3/s
Porównując zasięg zalewu dla tych dwóch wariantów można stwierdzić, że po zrealizowaniu inwestycji hydrotechnicznych w rejonie Lewina Brzeskiego, przy zrzutach ze zbiornika Nysa w wysokości 400, 600 i 800 m 3/s, nie będzie zagrożona zabudowa w tym rejonie.
7.3. Wyniki obliczeń symulacyjnych modelem HYDROPATH
W ramach modelu HYDROPATH każdy typ obszaru jest opisany indywidualnym modelem cząstkowym odpowiednim do danej charakterystyki hydrologicznej obszaru. Odpływ całkowity ze zlewni stanowi kompilację odpływów z poszczególnych jednostek obszarowych. Wykorzystanie GIS pozwala na klasyfikację terenu modelem HAND (ang. Height Above Nearest Drainage), który normalizuje topografię zlewni zgodnie z lokalną, najwyższą znalezioną siecią odpływu. W ten sposób model HAND reprezentuje topologię grawitacyjnych potencjałów wody w glebie. Na podstawie analizy wysokości nad poziomem cieku oraz nachylenia obszaru, zlewnię Białej Lądeckiej do wodowskazu Lądek Zdrój podzielono na dwa obszary o jednorodnym typie odpływu (rysunek 70):
− klasa 1 – obszary stoczyste, zalesione;
− klasa 2 – obszary przejściowe, grunty orne.
Na obszarach stoczystych o dużym zalesieniu zachodzi równowaga pomiędzy procesem retencjonowania wody a efektywnym odprowadzaniem wody w celu utrzymania i rozwoju ekosystemów. Dominującym procesem formowania się odpływu na tych obszarach jest odpływ podpowierzchniowy.
Rys. 70. Wynik klasyfikacji zlewni elementarnych rzeki Białej Lądeckiej
Obszary przejściowe charakteryzują się umiarkowanym nachyleniem i względnie głębokim położeniem zwierciadła wód podziemnych. Niska wartość gradientu topograficznego oraz potencjalnie duża głębokość strefy saturacji sprzyjają retencjonowaniu wody na drodze perkolacji wgłębnej. Za dominujący proces formowania się odpływu w tym obszarze przyjmuje się odpływ podziemny.
Dla zlewni Białej Lądeckiej do wodowskazu Lądek Zdrój przyjęto model TOPO-Flex (rysunek 71).
71. Schemat modelu zlewni TOPO-Flex
Rys.
Podstawowa struktura modelu TOPO-Flex (składowy element środowiska obliczeniowego HYDROPATH) składa się z czterech elementów retencji: Si – intercepcja, Su – retencja strefy nienasyconej, Ss – zbiornik odpływu powolnego (odpływ podziemny), Sf – zbiornik odpływu szybkiego (spływ powierzchniowy po wypełnieniu się strefy aeracji, odpływ podpowierzchniowy). Model został skalibrowany z wykorzystaniem epizodu opadowego od 17 do 28 lipca 2011 roku. Dobór parametrów przeprowadzono metodą optymalizacji, z ograniczeniem w zadanych zakresach uzależnionych od klasy obszaru (tabela 39).
Tabela 39. Parametry modelu TOPO-Flex po optymalizacji
Parametr przedział zmienności klasa 1 klasa 2
Kf 1e4-1e7 281249,95 718153,68
Kff 1e4-1e5 59998,89 43468,69
D 0,001-0,999 0,6606 0,0536
Sumax 0,05-1 0,3817 0,3988 Imax 0,01-1 0,1 0,05 beta 0,1-5 2,5 2,5
KernelScaleF 1-5 1,0 1,0
KernelMeanF 1e3-1e4 1034,0034 4189,8383
KernelShapeF 1-10 1,9592 5,5575
KernelScaleS 1-5 1,0 1,0
KernelMeanS 1e3-1e5 45035,6729 2918,9438
KernelShapeS 1-10 1,4548 9,8952
Przestawione w tabeli 39 parametry to:
Imax – maksymalna dzienna pojemność zbiornika intercepcji (m3/s);
Sumax – maksymalna dobowa pojemność wodna gleby w strefie korzeniowej (m); beta – współczynnik niejednorodności przestrzennej pojemności wodnej w zlewni; Ce – część Sumax, powyżej której parowanie rzeczywiste jest równe parowaniu potencjalnemu;
Kff – współczynnik wysychania dla odpływu powierzchniowego (s);
Sftr – wartość progowa dla zbiornika podpowierzchniowego (m);
Kf – współczynnik wysychania dla odpływu podpowierzchniowego (s);
Tlag – czas opóźnienia (s); Ks – współczynnik wysychania dla odpływu podziemnego (s).
Rys. 72. Symulowany i obserwowany hydrogram odpływu ze zlewni rzeki Białej Lądeckiej do przekroju Lądek Zdrój, lipiec 2011 rok
Wyniki symulacji przedstawiono na rysunku 72. Duża zgodność hydrogramów pozwala rokować pozytywnie dla wykorzystania opracowanego modelu w wyznaczaniu przepływów w zlewniach niekontrolowanych.
7.4. Wyniki obliczeń symulacyjnych transformacji wezbrań historycznych przez kaskadę zbiorników Otmuchów-Nysa modelem ModAdmin
Wykorzystując model ModAmin (rysunek 73), przeprowadzono serię obliczeń symulacyjnych dla historycznych wezbrań z lat 1977, 1985, i 1997 dla obu zbiorników. Przyjęto sterowanie stosując następujące kryteria: maksymalne ograniczenie odpływu ze zbiornika Nysa ze względu na redukcję wezbrania na Nysie Kłodzkiej oraz zmniejszenie odpływu ze zbiornika Nysa podczas przemieszczania się kulminacji wezbrania na Odrze.
Rozmaitość sytuacji powodziowych sprawia, że nie jest możliwe wybranie à priori najlepszego układu sterowania. Dlatego w programie Mod Amin założono sterowanie przez operatora, przy czym optymalne sterowanie poszukiwane jest na podstawie analizy wyników z symulacji treningowych, a nie technik optymalizacyjnych. Wyniki badanej symulacji pozwalają na zobrazowanie założeń napełniania zbiorników oraz zrzutów na tle charakterystycznych parametrów zbiornika. Możliwe jest przy tym porównanie zachowania się zbiorników przy różnych dopływach i przy różnych wariantach sterowania.
Rys. 73. Schemat blokowy modelu transformacji fali ModAdmin przez zbiorniki Otmuchów-Nysa
TRANSFORMACJA WEZBRANIA Z 1977 ROKU
Prowadzona na zbiorniku Otmuchów, zgodnie z opracowanymi zasadami, gospodarka wodna pozwoliła na zredukowanie pierwszej fali na Nysie Kłodzkiej z 490 m 3/s do 194 m 3/s. Podczas transformacji fali na zbiorniku Otmuchów została wykorzystana całkowicie rezerwa stała i częściowo rezerwa powodziowa forsowana oraz został osiągnięty poziom piętrzenia 214,25 m n.p.m. (rysunek 74 i 75)
Po osiągnięciu poziomu 214,25 m n.p.m. zbiornik Otmuchów opróżnia się samoczynnie poprzez przelew w Ściborzu. Po uzyskaniu normalnego poziomu piętrzenia na zbiorniku Nysa sukcesywnie należy zwiększać zrzut ze zbiornika Otmuchów tak, aby uzyskać zrzut ze zbiornika Nysa w wysokości 250 m 3/s. Zrzut ten stosuje się do czasu uzyskania normalnego poziomu piętrzenia na zbiorniku Otmuchów, tj. 210,50 m, co odpowiada pojemności 49,4 mln m 3 . Równolegle z założonym sterowaniem na zbiorniku Otmuchów przeprowadzane jest sterowanie na zbiorniku Nysa, wychodząc z pojemności początkowej WN = 50,89 mln m 3 , Odpowiada to normalnemu poziomowi piętrzenia w okresie letnim, przy założeniu, że żegluga na Odrze jest zamknięta, a jaz iglicowy Ujście Nysy na Odrze położony.
Rys. 74. Wynik z obliczeń symulacyjnych dla zbiorników Otmuchów-Nysa, wezbranie z 1977 roku (I fala)
Rys. 75. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Otmuchów, wezbranie z 1977 roku (I fala)
Po przeprowadzeniu kilku symulacji zrzutów ze zbiornika Nysa otrzymano najkorzystniejszy scenariusz sterowania tym zbiornikiem:
− 31 lipca należało realizować następujące zrzuty:
• od godz. 7:00 zrzut 50 m 3/s;
• od godz. 9:00 zrzut 100 m 3/s;
• od godz. 11:00 zrzut 150 m 3/s;
− 1 sierpnia powinno się realizować:
• od godz. 17:00 zrzut 200 m 3/s;
Rys. 76. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Nysa, wezbranie z 1977 roku (I fala)
− 2 sierpnia powinno się zrealizować:
• od godz. 6:00 zrzut 250 m3/s.
Z uwagi na to, że przy zrzucie powyżej 150 m 3/s występują podtopienia w Lewinie Brzeskim, dalsze zrzuty powyżej 150 m 3/s odbywają się przy zachowaniu zasady dopływ = odpływ. Takie postępowanie pozwoliłoby na uzyskanie odpływu ze zbiornika Q = 250 m 3/s. Zrzut ten utrzymywany jest do momentu osiągnięcia kulminacji fali odrzańskiej w Miedonii (4 sierpnia, godz. 12:00):
− w celu nienałożenia się fali Odry i Nysy Kłodzkiej należało zmniejszyć zrzut ze zbiornika Nysa dnia 4 sierpnia – od godz. 12:00 z krokiem czasowym co 2 godz. do godz. 18:00 – z 200 m 3 s do 50 m 3 s;
− po przejściu kulminacji na Odrze w przekroju wodowskazowym Ujście Nysy (6 sierpnia) należy zwiększyć zrzut ze zbiornika Nysa dnia 6 sierpnia – od godz. 8:00, co 2 godz. do godz. 12:00 – z 150 m 3/s do 250 m3/s.
Prowadzona modelem ModAdmin symulacja gospodarki wodnej na zbiornikach Otmuchów i Nysa pozwoliła na zredukowanie odpływu z tych zbiorników do 250 m 3/s. Na zbiorniku Nysa została wykorzystana w całości rezerwa powodziowa stała i częściowo rezerwa forsowana związana głównie z redukcją fali na Odrze. Wynik tak przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych przedstawiono na rysunkach 74 i 76.
TRANSFORMACJA WEZBRANIA Z 1985 ROKU
W roku 1985 wystąpiło pojedyncze wezbranie na Odrze i Nysie Kłodzkiej, podczas którego zarówno na Odrze na odcinku od Krapkowic do Wrocławia, jak i na Nysie Kłodzkiej przepływ odbywał się w istniejącym obwałowaniu tych rzek, przy
maksymalnym zrzucie ze zbiornika Nysa 200 m 3/s, natomiast na górnej Odrze fala spowodowała duże straty w rejonie Kędzierzyna-Koźla.
Obliczenia symulacyjne dla tego wezbrania przeprowadzono przy zwiększonej rezerwie stałej na zbiornikach Otmuchów i Nysa – łącznie równej 70 mln m 3 dla obu zbiorników (rysunki 77-79).
Podczas symulacji transformacji fali przez zbiornik Otmuchów, zgodnie z przyjętymi zasadami, została wykorzystana całkowicie rezerwa powodziowa stała oraz nieznacznie rezerwa powodziowa forsowana i został osiągnięty poziom piętrzenia
214,03 m n.p.m. (0,43 m ponad krawędź korony przelewu bocznego w Ściborzu).
Zrzut ze zbiornika Otmuchów należy zwiększyć po uzyskaniu normalnego poziomu piętrzenia na zbiorniku Nysa i utrzymywać go do czasu uzyskania normalnego
Rys. 77. Wyniki obliczeń symulacyjnych dla zbiorników Otmuchów – Nysa, wezbranie z 1985 roku
Rys. 78. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Otmuchów, wezbranie z 1985 roku
Rys. 79. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Nysa, wezbranie z 1985 roku
poziomu piętrzenia na zbiorniku Otmuchów 210,50 m n.p.m., co odpowiada pojemności 49,4 mln m 3 . Natomiast zrzuty ze zbiornika Nysa powinny być prowadzone na podstawie założonego wg autora scenariusza sterowania, przyjmując pojemność początkową 50,89 mln m 3 :
− 6 sierpnia należało zwiększyć zrzuty – od godz. 15:00 z krokiem czasowym co 2 godz. do godz. 19:00 – z 50 m 3/s do 150 m 3/s;
− w celu nienałożenia się fali Odry i Nysy Kłodzkiej zmniejszamy zrzut ze zbiornika z 150 m 3/s do 50 m 3/s w chwili wystąpienia kulminacji fali odrzańskiej w przekroju wodowskazowym Miedonia – 10 sierpnia od godz. 4:00 do godz. 6:00;
− po przejściu kulminacji na Odrze w przekroju wodowskazowym Ujście Nysy należało zwiększyć 13 sierpnia odpływ ze zbiornika Nysa z 50 m 3/s do 150 m 3/s;
− zrzut 150 m 3/s utrzymuje się do czasu uzyskania poziomu normalnego piętrzenia na obu zbiornikach, co odpowiada 50,9 mln m 3 na zbiorniku Nysa i 49,4 mln m 3 na zbiorniku Otmuchów.
Z symulacji tych wynika, że prowadzona w ten sposób gospodarka wodna na zbiornikach Otmuchów i Nysa pozwala na zredukowanie odpływu z kaskady do 150 m 3/s, tj. do przepływu nieszkodliwego, przy częściowym tylko wykorzystaniu rezerwy stałej na zbiorniku Nysa.
Przy nieznacznym wezbraniu na Nysie Kłodzkiej oraz piętrzeniu zbiorników retencyjnych w granicach normalnego poziomu piętrzenia, można znacznie zredukować falę na Odrze poprzez całkowite zretencjonowanie fali Nysy Kłodzkiej w badanych zbiornikach.
TRANSFORMACJA WEZBRANIA Z 1997 ROKU
W okresie największego historycznego wezbrania w 1997 roku na Odrze i na Nysie Kłodzkiej wystąpiła fala podwójna. Pierwsza fala – zarówno na Odrze, jak i na Nysie Kłodzkiej – została oceniona jako fala o prawdopodobieństwie p <1%, co stworzyło sytuację katastrofalnego zagrożenia na obu rzekach.
Symulacja na zbiorniku Otmuchów, przeprowadzona zgodnie z algorytmem modelu ModAdmin, pozwoliła na zredukowanie pierwszej fali na Nysie Kłodzkiej z 2 156 m3/s do 845 m 3/s przy wykorzystaniu rezerwy powodziowej stałej i forsowanej, lecz przy przekroczeniu maksymalnego poziomu piętrzenia równego 215,00 m n.p.m. o 38 cm. Nie wpływa to jednak na bezpieczeństwo tego zbiornika, ponieważ poziom piętrzenia awaryjnego wynosi 216,00 m n.p.m., a w wyniku transformacji osiągnięto poziom 215,38 m n.p.m.
Rys. 80. Wyniki obliczeń symulacyjnych dla zbiorników Otmuchów-Nysa, wezbranie z 1997 roku
Rys. 81. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Otmuchów, wezbranie z 1997 roku
Rys. 82. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Nysa, wezbranie z 1997 roku
Po osiągnięciu poziomu 215,38 m n.p.m. zbiornik Otmuchów opróżnia się samoczynnie poprzez pracujący przelew (upusty denne są w tym czasie zamknięte). Po uzyskaniu normalnego poziomu piętrzenia na zbiorniku Nysa, równego 195,00 m n.p.m., zwiększamy zrzut ze zbiornika Otmuchów do 250-350 m 3/s (poprzez otwarcie upustów dennych). Odpływ ze zbiornika Nysa w wysokości 350 m3/s należy utrzymać do czasu uzyskania normalnego poziomu piętrzenia na zbiorniku Otmuchów. Gospodarkę wodną na zbiorniku Otmuchów przedstawiono na rysunkach 79 i 80.
Symulacja na zbiorniku Nysa została przeprowadzona wg następującego wybranego scenariusza sterowania:
− zrzut ze zbiornika Nysa w modelu symulacyjnym należałoby zwiększyć 6 lipca od godz. 8:00 do godz. 20:00 (przy Δt = 2 godz. i ΔQ = 50 m 3/s) z Q = 100 m3/s do Q = 400 m 3/s;
− od 7 lipca od godz. 0:00 zwiększamy zrzut do 500 m 3/s, a od godz. 4:00 do 600 m 3/s;
− zrzut 600 m 3/s utrzymujemy do 10 lipca, a następnie ograniczamy odpływ ze zbiornika Nysa według funkcji dopływu do zbiornika, tj. od godz. 2:00 do godz. 18:00 (przy Δt = 4 godz. i ΔQ =50 m 3/s) z 600 m 3/s do 350 m 3/s;
− odpływ 350 m 3/s ze zbiornika Nysa utrzymujemy do czasu obniżenia piętrzenia na tym zbiorniku do poziomu normalnego piętrzenia, co odpowiada pojemności 50,9 mln m 3 , a następnie do czasu obniżenia piętrzenia na zbiorniku Otmuchów do pojemności 49,4 mln m 3 (rysunki 80 i 81).
Prowadzona w ten sposób gospodarka wodna na obu zbiornikach pozwoliłaby na zredukowanie odpływu z kaskady do 600 m 3/s przy osiągnięciu poziomu piętrzenia 198,85 m n.p.m. (rysunek 82).
Przedstawiona powyżej symulacja miała na celu minimalizację szkód w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa.
W przypadku uwzględnienia minimalizacji szkód również w dolinie Odry poniżej ujścia Nysy Kłodzkiej, odpływ ze zbiornika Nysy powinien być zmniejszony podczas przemieszczania się kulminacji fali powodziowej na Odrze. W tym przypadku gospodarka wodna na zbiornikach Otmuchów i Nysa powinna odbywać się według następującego scenariusza:
− symulacja na zbiorniku Otmuchów jest prowadzona w sposób jak powyżej;
− zrzut ze zbiornika Nysa zwiększamy dnia 6 lipca od godz. 8:00 do godz. 20:00 (przy Δt = 2 godz. i ΔQ = 50 m 3/s) z Q = 100 m 3/s do Q = 400 m 3/s;
− następnie 7 lipca od godz. 6:00 do godz. 12:00 (przy Δt = 2 godz. i ΔQ = 100 m 3s) zwiększamy zrzut z 400 m 3 s i do 800 m 3/s;
− zrzut 800 m 3 s utrzymywany jest do momentu osiągnięcia w przekroju wodowskazowym Miedonia, o godz. 4:00, 9 lipca, kulminacji fali odrzańskiej;
− niedoprowadzając do koincydencji z falą na Nysie Kłodzkiej, zmniejszamy zrzut ze zbiornika Nysa od godz. 4:00 do godz. 12:00 z 800 m 3/s do 350 m3/s (przy kroku czasowym Δt = 2 godz. i kroku odpływu ΔQ = 100 m 3/s);
− odpływ 350 m 3/s ze zbiornika Nysa utrzymujemy do czasu obniżenia zwierciadła wody na zbiorniku Nysa do poziomu normalnego piętrzenia, co odpowiada pojemności 50,9 mln m 3 , zapewniając również normalne piętrzenie na zbiorniku Otmuchów.
Prowadzona w ten sposób symulacja gospodarki wodnej na zbiorniku Nysa i Otmuchów pozwoliła na zredukowanie odpływu z kaskady do 800 m 3/s, przy osiągnięciu na zbiorniku Nysa poziomu piętrzenia 199,01 m n.p.m. (0,01 m ponad poziom maksymalnego piętrzenia). Na zbiorniku tym została wykorzystana całko-
Rys. 83. Wynik z obliczeń symulacyjnych dla zbiorników Otmuchów-Nysa z uwzględnieniem przejścia fali na Odrze, wezbranie z 1997 roku
wicie rezerwa powodziowa stała i forsowana oraz częściowo została wykorzystana rezerwa awaryjna. Nie spowodowało to jednak zagrożenia bezpieczeństwa zapory zbiornika (rysunki 83-85).
Przedstawiona powyżej symulacja miała za zadanie nie tylko redukcję wezbrania na Nysie Kłodzkiej, lecz również znaczne zmniejszenie zrzutu ze zbiornika Nysa w okresie przemieszczania się kulminacji fali na Odrze. Spowodowało to konieczność dokonania wysokiego maksymalnego odpływu o wartości 800 m 3/s, który powoduje bardzo duże straty w dolinie Nysy Kłodzkiej poniżej zbiornika Nysa.
Sterowanie pracą zbiorników retencyjnych w czasie wezbrań należy do kategorii systemów losowych, w których współdziałanie ludzi, technik i procedur
Rys. 84. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Otmuchów z uwzględnieniem przejścia fali na Odrze, wezbranie z 1997 roku
Rys. 85. Rzędne zwierciadła wody w zbiorniku Nysa z uwzględnieniem przejścia fali na Odrze, wezbranie z 1997 roku
przebiega w warunkach niepełnej informacji i przy losowej transformacji fali typu wejście-wyjście. Kalibracja i weryfikacja modelu ModAdmin polegała na testowaniu pracy modelu na hydrogramach wezbrań historycznych transformowanych przez kaskadę zbiorników i porównaniu obliczeń komputerowych z rzeczywistym przebiegiem fali.
Przeprowadzona, według opracowanych przez autora zasad, seria obliczeń symulacyjnych dla historycznych wezbrań z lat 1977-1997 pozwoliła na ustalenie następujących reguł gospodarki wodnej powodziowej na kaskadzie zbiorników podczas wezbrań powodziowych:
− zbiorniki Otmuchów i Nysa współpracują ściśle ze sobą, lecz transformację wezbrania na każdym zbiorniku należy przeprowadzać oddzielnie;
− przy znacznym dopływie do zbiornika dolnego Nysa ze zlewni różnicowej, należy maksymalnie ograniczyć odpływ ze zbiornika górnego Otmuchów w pierwszej fazie wezbrania, co pozwala na maksymalne wykorzystanie rezerwy powodziowej na tym zbiorniku;
− uwzględniając czasy przejścia fal na Nysie Kłodzkiej i Odrze, należy stosować duże zrzuty ze zbiornika Nysa w pierwszej fazie wezbrania, nie powodując jednak istotnych strat w dolinie. Duże odpływy (rzędu 300 m 3/s) należy stosować dopiero po wstrzymaniu żeglugi na Odrze i położeniu jazu kozłowo-iglicowego Ujście Nysy.
Spełnienie powyższych postulatów pozwala na znaczne obniżenie ryzyka powodziowego na Nysie Kłodzkiej i Odrze.
Autor porównał rzeczywistą gospodarkę wodną prowadzoną na zbiornikach Otmuchów-Nysa w czasie wezbrań historycznych z wynikami symulacji. Wynika z nich, że przy zwiększonych rezerwach powodziowych na obu zbiornikach można by zmniejszyć odpływy maksymalne ze zbiornika Nysa o 100 m3/s w roku 1977 i o 700 m3/s w roku 1997.
8. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Ochrona przed powodzią w zlewniach z zabudową hydrotechniczną w postaci zbiorników retencyjnych jest kluczowym elementem gospodarki wodnej. Przedkładana monografia jest próbą skonstruowania integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego na bazie dostępnych modeli matematycznych (rozdz. 5). Szczegółowej weryfikacji poddano transformację fali przez kaskadę zbiorników Nysy Kłodzkiej, która była podstawą opracowania zasad sterowania (rozdz. 6).
Prezentowane modele matematyczne uwzględniają kluczowe elementy wpływające na proces formowania fali wezbraniowej oraz na jej transformację w sieci koryt rzecznych Nysy Kłodzkiej i przez zbiorniki retencyjne. Uzyskanie wiarygodnego modelu hydrologiczno-gospodarczego (rozdz. 7) pozwoli na prześledzenie metodą symulacyjną zachowania się systemu w różnych warunkach prognozowanego opadu. Proponowany diagram koncepcji integralnego modelu wymaga opracowania wersji synoptycznej i symulacyjnej przez doświadczony zespół informatyków. Połączony w jeden system może służyć celom rzeczywistym i teoretycznym. Przykładowe obliczenia składowych integralnego symulacyjnego modelu hydrologiczno-gospodarczego Nysy Kłodzkiej, dla wybranych epizodów wezbraniowych z uwzględnieniem istniejącej infrastruktury (rozdz. 7.1-7.4), wykazały ich wysoką przydatność, a w szczególności modelu ModAdmin, w prowadzeniu gospodarki wodnej na kaskadzie zbiorników Nysy Kłodzkiej. Są to:
− model (MIKE 11 NAM) dla symulacji opad-odpływ w zlewni Nysy Kłodzkiej do przekroju wodowskazowego Bardo oraz w zlewni Białej Głuchołaskiej do przekroju wodowskazowego Głuchołazy;
− model (MIKE 21 HD) dla symulacji hydrodynamicznej przejścia fali na odcinku Nysy Kłodzkiej od zapory zbiornika Nysa do ujścia tej rzeki do Odry, w dwóch wariantach:
• wariant bez uwzględnienia zrealizowanych inwestycji hydrotechnicznych w rejonie Nysy i Lewina Brzeskiego;
• wariant z uwzględnieniem inwestycji zrealizowanych w tych rejonach w latach 2012-2015;
− model (HYDROPATH) dla symulacji opad-odpływ w zlewni Białej Lądeckiej;
− model (ModAdmin) transformacji wezbrań historycznych przez kaskadę zbiorników Nysy Kłodzkiej.
Warto podkreślić, że dokładność prognozowania na podstawie modeli matematycznych (MIKE 11 NAM) jest pochodną odwzorowania fizycznego zlewni i przestrzennego rozkładu opadów.
W obliczeniach symulacyjnych modelem MIKE 21 HD (będącym składowym modelu integralnego) wykazano jego heurystyczną przydatność do oceny skuteczności realizowanych inwestycji hydrotechnicznych, poprzez porównanie zasięgów zalewów przed i po modernizacji odcinka Nysy Kłodzkiej od zbiornika Nysa do jej ujścia do Odry (rozdz. 7.2). Porównując zasięg zalewu można stwierdzić, że po zrealizowaniu wymienionych na tym odcinku Nysy Kłodzkiej inwestycji, przy zrzutach ze zbiornika Nysa w wysokości 400, 600, 800 m 3/s nie będzie zagrożona zabudowa w rejonie Nysy, Lewina Brzeskiego oraz innych miejscowości w tym rejonie.
Wyniki uzyskane z modelu HYDROPATH (rozdz. 7.3) wskazują na pełną przydatność tego nowoczesnego środowiska obliczeniowego w zastosowaniach do prognoz hydrologicznych i badań naukowych.
Zasady sterowania pracą zbiorników (rozdz. 6), według których został opracowany program ModAdmin, uwzględniają prakseologiczne kryteria sprawnego działania wg kryterium Laplace’a, które bierze pod uwagę prawdopodobieństwo wystąpienia różnych przepływów maksymalnych. Na podstawie przygotowanych rozkładów prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych rocznych, opracowane zasady uwzględniają sterowanie dla przepływów z przedziału prawdopodobieństwa przewyższenia p = 1-10% oraz p < 1%. W ten sposób mamy do czynienia z klasycznym problemem podejmowania decyzji sterowania zbiornikami w warunkach określanego ryzyka. Proces decyzyjny w takiej sytuacji ma charakter procesu probabilistycznego dla określonych rozkładów prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych w zlewni Nysy Kłodzkiej i powinien być adoptowany na innych zlewniach ze zbiornikami retencyjnymi.
Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz można sformułować następujące wnioski odnośnie sterowania kaskadą zbiorników Nysy Kłodzkiej podczas wezbrań powodziowych:
− Monografia ma przede wszystkim charakter aplikacyjny. Warto podkreślić, że zasady sterowania na kaskadzie zbiorników Otmuchów-Nysa zostały wdrożone w Regionalnym Zarządzie Gospodarki Wodnej we Wrocławiu i zweryfikowane w czasie wezbrań w latach 2001-2010.
− W zakresie wezbrań o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1-10% i p < 1% opracowane zasady sterowania zbiornikami Otmuchów i Nysa uwzględniają redukcję wezbrania na Odrze.
− Transformację wezbrania na każdym zbiorniku należy przeprowadzać oddzielnie.
− Zwiększenie przepustowości doliny Nysy Kłodzkiej poniżej zapory zbiornika Nysa do wartości 600 m 3/s pozwala na redukcję wezbrań bez wystąpienia większych strat na odcinku od zbiornika Nysa do ujścia do Odry.
− W pierwszej fazie wezbrania stosować zrzuty ze zbiornika Nysa w wysokości 400-600 m 3/s, co pozwala na wypracowanie dodatkowej rezerwy wymuszonej. Stwarza to nie tylko możliwości znacznej redukcji bardzo wysokich wezbrań na Nysie Kłodzkiej, lecz umożliwia również ograniczenie odpływów ze zbiornika Nysa podczas przemieszczania się kulminacji fali na Odrze.
− Przy obecnych rozwiązaniach technicznych zbiorników Nysa i Otmuchów oraz przy znaczącym dopływie do zbiornika Nysa ze zlewni różnicowej między tymi zbiornikami, należy w pierwszej fazie wezbrania ograniczyć odpływ ze zbiornika Otmuchów, co pozwali na maksymalne wykorzystanie rezerwy forsowanej na zbiorniku Otmuchów w następnych fazach wezbrania.
Przeprowadzone obliczenia symulacyjne modelem ModAdmin, przy zwiększonych o 70 mln m 3 rezerwach stałych na zbiornikach w okresie od 15 czerwca do 15 września, wykazały, że katastrofalne wezbranie z 1997 roku zostało zredukowane z 1 500 m 3/s do 600 m3/s.
Opracowane zasady sterowania zbiornikami Otmuchów i Nysa wykazały jednoznacznie, że w procesie decyzyjnym, dotyczącym sterowania falą powodziową w systemie zbiorników retencyjnych, niezwykle ważne są wielości rezerw powodziowych na zbiornikach, możliwości odprowadzania wysokich zrzutów niepowodujących strat w dolinie poniżej zbiornika oraz odpowiednie zaprojektowanie urządzeń zrzutowych zbiornika. Stały się one podstawą do zrealizowania następujących prac w dolinie Nysy Kłodzkiej:
− wykonano ważne inwestycje w dolinie rzeki Nysy Kłodzkiej poniżej zapory
zbiornika Nysa (szczególnie w samym mieście Nysa i poniżej Nysa oraz w rejonie Lewina Brzeskiego), pozwalające na odprowadzanie zrzutów ze zbiornika Nysa w wysokości 600 m 3/s bez większych strat, dostosowując tym samym odpływ dozwolony do wyników badań autora (rozdz. 7.2);
− wykonano dodatkowo upusty denne na zbiorniku Nysa oraz przelew awaryjny, podnosząc znacznie bezpieczeństwo tego zbiornika (zał. II).
Sterowanie kaskadą zbiorników podczas powodzi wymaga dobrych prognoz hydrologicznych. Prognozy hydrologiczne opracowywane przez IMGW-PIB powinny być ciągle doskonalone, umożliwiając lepszą możliwość transformacji fal wezbraniowych przez zbiorniki.
W gospodarce wodnej na zbiornikach retencyjnych należy uwzględnić wykorzystanie wody zgromadzonej w zbiornikach dla celów gospodarczych oraz w szerokim zakresie utrzymanie dobrego stanu środowiska w rejonie oddziaływania kaskady zbiorników. Zbiorniki Otmuchów i Nysa zostały objęte Dyrektywą Ptasią.
Utrzymanie odpowiednich poziomów zwierciadła wody w badanych zbiornikach wodnych dla rozwoju i życia ptactwa zmniejsza zasoby wodne przeznaczone dla żeglugi. Natomiast korzystnie wpływa na utrzymanie wyższych rezerw wody na zbiornikach, które mogą być efektywnie wykorzystane podczas letnich wezbrań powodziowych.
Warto podkreślić, że dalszy rozwój prac badawczych dotyczących integralnego modelu hydrologiczno-gospodarczego, łączącego elementy prognozy hydrologiczno-meteorologicznej opracowywanej przez IMGW-PIB oraz gospodarki wodnej na zbiornikach retencyjnych realizowanej przez RZGW, może w znacznym stopniu przyczynić się do pogodzenia wymogów ochrony przed powodzią z gospodarczym wykorzystaniem zasobów wodnych (w tym dla żeglugi na Odrze) zlewni
Nysy Kłodzkiej i z zabezpieczeniem odpowiednich warunków środowiskowych dla rozwoju i bytowania ptactwa i ryb. Stanowi więc połączenie zagadnień inżynierii środowiska z ochroną środowiska.
Bibliografia
Banasik K., 2009, Wyznaczanie wezbrań powodziowych w małych zlewniach zurbanizowanych, SGGW, Warszawa, 42 s.
Bednarczyk T., Madeyski M., Myczka J., 1982, Prognoza zamulenia zbiornika wodnego w układzie ze zbiornikiem budowanym równocześnie na tym samym cieku, Gospodarka Wodna. 10, 194-196
Berga L., 1992, New trends in design assessment, [w:] International Symposium on Dams and Extreme Floods, tom III: General Discussion, ICOLD, Granada, Hiszpania
Beven K.J., 2012, Rainfall-runoff modelling: The primer, Wiley-Blackwell, 488 s.
Bobiński E., Piwecki T., Żelaziński J., 1978, Systemy prognoz hydrologicznych w Polsce wykorzystujące technikę symulacyjną, Wiadomości IMGW, IV (2-3), 3-18
Broś K., Kosierb R., 2006, Zbiornik Nysa – stan techniczny i bezpieczeństwo obiektu po 30 latach eksploatacji. Podsumowanie doświadczeń i koncepcje modernizacji w aspekcie bezpieczeństwa przeciwpowodziowego, [w:] Problemy Hydrotechniki, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, 441-449
Chow V.T. (red.), 1964, Handbook of applied hydrology. A compendium of water-resources technology, McGrwa-Hill, New York, Toronto, Londyn, 1418 s.
Dubicki A., 1970, Przewidywane objętości fali powodziowej w warunkach dopływów sudeckich metodą Lambora, Prace PIHM, 100
Dubicki A., Malinowska J., 1986, Prognoza odpływu fali powodziowej do kaskady zbiorników Otmuchów-Nysa na Nysie Kłodzkiej, IMGW Oddział we Wrocławiu
Dubicki A., Słota H., Zieliński J. (red.), 1999, Monografia powodzi lipiec 1997 – dorzecze Odry, IMGW, Warszawa, 204 s.
Dziewoński Z., 1973, Rolnicze zbiorniki retencyjne, PWN, Warszawa, 347 s.
Ficoń K., 2013, Inżynieria zarządzania kryzysowego. Podejście systemowe, BEL Studio, Warszawa, 502 s.
Findeisen W., 1979, A view on decision and information structure for operational control in water resources system, Technical report, Technical University of Warsaw
Gądek W., 2012, Wyznaczanie wezbrań hipotetycznych metodą Politechniki Warszawskiej i metodą Politechniki Krakowskiej w zlewniach kontrolowanych. Część I: Opis metodyki, Czasopismo Techniczne. Środowisko, 109 (2-Ś), 95-104
Gądek W., 2014, Fale hipotetyczne dla zlewni niekontrolowanych, [w] Hydrologia w inżynierii i gospodarce wodnej, K. Banasik, L. Hejduk, E. Kaznowska (red.), Monogafie KGW-PAN, XX (I), 139-150
Grela J., Wawro M., 1995, Wspomaganie komputerowe decydenta centralnego w zakresie czynnej akcji przeciwpowodziowej, Monografie KGW-PAN, 7
Hydroprojekt, 1997, Program regulacji systemu żeglugi na Odrze, maszynopis, Wrocław
ICOLD, 2006, Przeciwdziałanie zamulaniu zbiorników: zalecenia i przykłady, ICOLD Biuletyn 115, H. Fiedler-Krukowicz (tł.), Polski Komitet Wielkich Zapór, IMGW, Warszawa, 56 s.
Ignar S., 1988, Metoda SCS i jej zastosowanie do wyznaczania opadu efektywnego, Przegląd Geofizyczny, 33 (4)
Kaczmarek Z., 1970, Metody statystyczne w hydrologii i meteorologii, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 312 s.
Kindler J., Brzeziński J., 1979, Hydrologiczno-gospodarcze modele zlewni, [w:] Modelowanie matematyczne zlewni hydrologicznej, Biblioteka Wiadomości IMiUZ, 61, PWRiL, Warszawa, 65-79
Kondracki J., 2011, Geografia regionalna Polski, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 468 s.
Karbowski A., Malinowski K., 1995, Dwupoziomowa struktura sterowania falą powodziową w systemach wielozbiornikowych, Monografie KGW-PAN, 7, 39-73
Kosierb R., 1998c, Rola obiektów hydrotechnicznych w ochronie przeciwpowodziowej, [w:] Hydrotechnika I: wieloletni, strategiczny program zabezpieczeń przeciwpowodziowych, materiały konferencyjne, WFOŚiGW, NOT, Katowice, 33-38
Kosierb R., 1999, Water management in the retention reservoirs Nysa-Otmuchów, 7th Conference Problems of Hydroengineering, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 49-54.
Kosierb R., 2004, Sterowanie pojemnością zbiorników retencyjnych położonych na Nysie Kłodzkiej w okresie przepływów wód wezbraniowych, praca doktorska, maszynopis
Kosierb R., 2007, Określenie wartości zrzutów nieszkodliwych w dolinie Nysy Kłodzkiej ze zbiornika retencyjnego Nysa. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, 4 (2), 113-122
Kosierb R., 2008a, Gospodarka wodna na zbiorniku Otmuchów podczas wezbrań na Nysie Kłodzkiej, [w:] Hydrotechnika X: Sympozjum ogólnokrajowe – materiały, E. Nachlik (red.), FSNT, Katowice, 111-120
Kosierb R., 2008b, Ocena możliwości poprawy warunków żeglugi na Odrze skanalizowanej i na swobodnie płynącej, [w:] Meteorologia, hydrologia, ochrona Środowiska – kierunki badań i problemy, A. Dubicki (red.), IMGW, Warszawa, 128-135
Kosierb R., 2008c, Ochrona przeciwpowodziowa planowana na Odrze Środkowej w ramach Unijnego Programu Sektorowego Infrastruktura i Środowisko, [w:] Meteorologia, hydrologia, ochrona Środowiska – kierunki badań i problemy, A. Dubicki (red.), IMGW, Warszawa, 136-141
Kosierb R., 2010., Zmiany pojemności zbiorników retencyjnych kaskady Nysy Kłodzkiej, Gospodarka Wodna, 2, 68-72
Kosierb R., 2011, Gospodarka wodna na zbiornikach retencyjnych rzeki Nysy Kłodzkiej podczas wezbrania w maju 2010 roku, [w:] Przyszłe wymagania w zakresie zarządzania ryzykiem powodziowym oraz zrównoważonego gospodarowania wodami w dorzeczu Odry, materiały konferencyjne, Międzynarodowa Komisja Ochrony Odry przed Zanieczyszczeniem, 53-72
Kosierb R., 2012a, Gospodarka wodna na zbiorniku Turawa na rzece Mała Panew podczas powodzi 2010, Sympozjum Europejskie Anti-flood defences – todays problems, Paryż-Orlean, 28-30 marzec
Kosierb R., 2012b, Inwestycje zrealizowane po powodzi 1997 przez RZGW we Wrocławiu, [w:] 15 lat po powodzi na Dolnym Śląsku, J. Sobota (red.), Uniwersytet Przyrodniczy, Wrocław, 38-47
Kosierb R., 2014, Transformationprozess der Hochwasserwelle am Beispiel des Hochwassers der Lausitzer Neiße, WasserWirtschaft, 104 (12), 18-23
Kosierb R., 2016, Hochwasserwellentransformation an Rückhaltebecken am Beispiel der SpeicherKaskade der Glatzer Neiße, WasserWirtschaft, 106 (4), 30-33
Kosierb R., Barański P., Broś K., 2010, Modernisierung des Mehrzweckbeckens Neisse an der Glatzer Neisse, Polen, WasserWirtschaft, 100 (4), 89-91
Kosierb R., Bartosiewicz S., 1993, Ocena możliwości redukcji odpływów rzeczywistych ze zbiornika Nysa podczas zaistniałych wezbrań powodziowych w aspekcie zastosowania napędu linowego segmentów, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu, 233, 197-203
Kosierb R., Bartosiewicz S., Pietruszewski B., 2005, Utrzymanie w dobrym stanie rzek i potoków dla ochrony życia i mienia ludności z uwzględnieniem wartości przyrodniczych obszarów nadwodnych, [w:] Środowiskowe aspekty gospodarki wodnej, L. Tamiołajć, A. Drabiński (red.), Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Wrocław
Kosierb R., Parzonka W., 2008, Koncepcja modernizacji systemu regulacji Odry środkowej, Gospodarka Wodna, 8, 318-322
Kosierb R., Szeląg S., 2002, Zadania Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej we Wrocławiu w zakresie ochrony przed powodzią w świetle zapisów ustawy Prawo Wodne, [w:] Modernizacja Wrocławskiego Węzła Wodnego warunkiem skutecznej ochrony przed powodzią, Stowarzyszenie Partnerstwo dla Odry, IMS, Wrocław, 25-30
Kosierb R., Tiukało A., 2012, System prognozowania i ostrzegania przed niebezpiecznymi zjawiskami pogodowymi, materiały konferencyjne, Dolny Śląsk: Woda a środowisko – doświadczenia, perspektywy, Dolnośląski Zarząd Melioracji i Urządzeń Wodnych we Wrocławiu, Wrocław
Kundzewicz Z., 1985, Modele hydrologiczne ruchu fal powodziowych, Monografie KGW-PAN, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa, 163 s.
Kupczyk E., Suligowski R., 2011, Typy opadów deszczu w terminologii hydrologicznej, Przegląd Geofizyczny, 3-4, 235-246
Lambor J., 1962a, Gospodarka wodna na zbiornikach retencyjnych, Arkady, Warszawa, 257 s.
Lambor J., 1962b, Metody prognoz hydrologicznych, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 338 s.
Lambor J., 1965, Podstawy i zasady gospodarki wodnej, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 434 s.
Lambor J., 1971, Hydrologia inżynierska, Arkady, Warszawa, 363 s.
Mierkiewicz M., 1993, Hydrologiczne modele prognostyczne opad-odpływ transformacji fali dla różnych dopływów Odry, Wiadomości IMGW, XVI (4), 37-53
MIKE 11, 2008, A Modelling system for rivers and channels. Reference manual, MIKE by DHI, 524 s., dostępne online: http://euroaquae.tu-cottbus.de/hydroweb/Platform/Notes/Mike11_Reference.pdf (27.01.2017)
Ozga-Zielińska M., Brzeziński J., 1997, Hydrologia stosowana, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 323 s.
Ozga-Zielińska M., Kupczyk E., Ozga-Zieliński B., Niedbała J., Brzeziński J., 2003, Powodziogenność rzek pod kątem bezpieczeństwa budowli hydrotechnicznych i zagrożenia powodziowego. Podstawy metodyczne, Materiały Badawcze IMGW, Seria: Hydrologia i Oceanologia, 29, 91 s.
Parzonka W., 1986, Hydrologiczna i reologiczna charakterystyka transportu zawiesiny rzecznej w obrębie kaskady zbiornikowej, Archiwum Hydrotechniki PAN, XXXIII (4)
Parzonka W., Kosierb R., Staniszewski S., 1978, Zmienność współczynnika prędkości dla rzeki Odry, Instytut Fizyki i Techniki Jądrowej, AGH Kraków
Parzonka W., Kosierb R., 2009, Ocena procesu erozji koryta Odry Środkowej na odcinku Malczyce-Ścinawa, materiały konferencyjne X Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy Hydrotechniki, Wojanów k. Jeleniej Góry, 3-5 czerwca, Politechnika Wrocławska
Popielarz-Deja S., 1971, Przykłady obliczeń hydrologicznych do opracowań wodno-melioracyjnych, Materiały Pomocnicze, Centralne Biuro Studiów i Projektów Wodnych Melioracji, Warszawa, 154 s.
Przedwojski B., Wicher B., 1999, Akumulacja rumowiska w zbiorniku wodnym Jeziorsko, [w:] Eksploatacja i oddziaływanie dużych zbiorników nizinnych (na przykładzie zbiornika wodnego Jeziorsko), B. Przedwojski (red.), Wyd. AR Poznań
Radczuk L., Jakubowski W., Szulczewski W., Czamara A., 1994, Model integralny zlewni rolniczej, Monografie KGW-PAN, 5, 77-96
Radczuk L., Soczyńska U., Ostrowski J., 1981, Opracowanie regionalnego modelu zlewni na podstawie modelu Stanford IV, Wiadomości IMGW, 1-2, 41-54
Radczuk L., Szymkiewicz R., Jałowicki J., Żyszkowska W., Brun J.-F., 2001, Wyznaczanie stref zagrożenia powodziowego, Biuro Koordynacji Projektu Banku Światowego, Wrocław
Sawicki J.M., 2001, Hydraulic investigations of Venturi flumes, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, 1 (48), 115-130
Słota H., 1997, Zarządzanie systemami gospodarki wodnej, IMGW, Warszawa, 130 s.
Soczyńska U. (red.), 1997, Hydrologia dynamiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 409 s. Strupczewski W., 1964, Równanie fali powodziowej, Wiadomości IMGW, 57 (2), 35-58
Szalińska W., Tokarczyk T., Jełowicki J., Chorążyczewski A., Michalski A., Tiukało A., Ostojski M., 2014, Środowisko obliczeniowe operacyjnego modelu typu opad-odpływ, [w:] Hydrologia w inżynierii i gospodarce wodnej, K. Banasik, L. Hejduk, E. Kaznowska (red.), KGW-PAN, Warszawa, 293-306
Szczegielniak C., Szczegielniak J., 2013, Instrukcja obsługi Modelu kaskady Zbiorników Nysy Kłodzkiej, maszynopis, IMGW-PIB Oddział we Wrocławiu
Szczegielniak J., Kosierb R., Szczegielniak C., 2003, Problem skojarzonej gospodarki wodnej w aspekcie przeciwpowodziowym na zbiornikach rzeki Nysy Kłodzkiej, [w:] Problemy ochrony przed powodzią Pragi i Wrocławia, C. Szczegielniak (red.), Wydawnictwo Akademii Rolniczej, Wrocław, 37-51.
Szczepanek R., 2014, Standard OPENMI 2.0 jako metoda integracji modeli hydrologicznych z wykorzystaniem języka Python, [w:] Hydrologia w inżynierii i gospodarce wodnej, K. Banasik, L. Hejduk, E. Kaznowska (red.), KGW-PAN, Warszawa, 307-316
Szymkiewicz R., 2000, Matematyczne modelowanie w rzekach i kanałach, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 321 s.
Szymkiewicz R., 2002, An alternative IUH for the hydrological lumped models, Journal of Hydrology, 259 (1-4), 246-253, DOI: 10.1016/S0022-1694(01)00595-9
Szymkiewicz R., 2010, Numerical modeling in open channel hydraulics, Water Science and Technology Library, 83, Springer Netherland, 370 s.
Szymkiewicz R., Gąsiorowski D., 2010, Podstawy hydrologii dynamicznej, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 290 s.
Tokarczyk T., 2001, Zmienność przepływów na obszarze Kotliny Kłodzkiej, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Inżynieria Środowiska, 413 (12), 105-127
Tokarczyk T. (red.), 2011, Metody oceny zasobów wodnych zlewni rzek o różnym charakterze i stopniu zagospodarowania, IMGW-PIB, Warszawa, 144 s.
Urbański J., 2008, GIS w badaniach przyrodniczych, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, 266 s.
Ustrul Z., Czekierda D., 2009, Atlas ekstremalnych zjawisk meteorologicznych oraz sytuacji synoptycznych w Polsce. Wyd. IMGW Warszawa, 182 s.
Wahlstrom E., 1974, Dams, dam foundations, and reservoir sites, Elsevier, Amsterdam, 290 s.
Wiśniewski B., Ihnatowicz S., 1980, Monografia zbiornika wodnego Otmuchów, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 119 s.
Załącznik I. Podstawowe charakterystyki fal i opadów
Tabela 1. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Międzylesie na Nysie Kłodzkiej
morfometryczne fali
Czas trwania Czas wznoszenia Czas opadania
13:00 5,7 2010-06-04 00:0000:10 1,02
02:00
08:00
Tabela 2. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Wilkanów na Wilczce
Parametry morfometryczne fali Suma opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy Objętość Czas trwania
Czas wznoszenia Czas opadania od do (m 3 /s) (mln m 3 ) (godz.) (godz.) (godz.) (mm)
Okres wystąpienia wezbrania Qmax Data wystąpienia Qmax
wystąpienia
2006-08-07 06:00 2006-08-12 01:00 42,0 2006-08-08 12:00 3,25
2.06.2010
11:00 2006-07-02 18:00 10,3 2009-06-30 15:30
2010-06-02 08:00 2010-06-07 13:00 10,9 2010-06-02 15:00 2,29
Tabela 3. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Bystrzyca Kłodzka na Nysie Kłodzkiej
opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy Objętość Czas trwania Czas wznoszenia Czas opadania od do (m 3 /s) (mln m 3 ) (godz.) (godz.) (godz.) (mm)
Okres wystąpienia wezbrania Qmax Data wystąpienia Qmax Parametry morfometryczne
11:00
12:00
08:00 2010-06-05 17:00 52,0 2010-06-02 16:20
Tabela 4. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Bystrzyca Kłodzka na Bystrzycy Okres wystąpienia wezbrania Qmax Data wystąpienia Qmax Parametry morfometryczne fali
06:00
06:00
06:00 2001-07-28 18:00 6,36 2001-07-25 15:00 0,77
16:00 2006-06-30 06:00 7,75 2009-06-27 00:00 1,29
2010-06-02 09:00 2010-06-07 20:00 6,44 2010-06-03 08:30 2,15
Tabela 5. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Lądek Zdrój na Białej Lądeckiej
opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy Objętość Czas trwania Czas wznoszenia Czas opadania od do (m 3 /s) (mln m 3 ) (godz.) (godz.) (godz.) (mm)
Okres wystąpienia wezbrania Qmax Data wystąpienia Qmax Parametry morfometryczne
18:00
18:00
11:00
2010-06-02 06:00 2010-06-08 16:00 23,0 2010-06-02 16:20; 16:40- 16:50 8,45
Parametry morfometryczne fali Suma opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy
Tabela 6. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Żelazno na Białej Lądeckiej Okres wystąpienia wezbrania Qmax
wznoszenia
Tabela 7. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Szalejów na Bystrzycy Dusznickiej
Okres wystąpienia wezbrania Qmax Data wystąpienia Qmax Parametry morfometryczne fali Suma opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy Objętość Czas trwania Czas wznoszenia Czas opadania od do (m 3 /s) (mln m 3 ) (godz.) (godz.) (godz.) (mm)
Parametry morfometryczne fali Suma opadów na zlewnię Maksymalny opad dobowy Objętość Czas trwania Czas wznoszenia Czas opadania
Tabela 8. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Kłodzko na Nysie Kłodzkiej Okres wystąpienia wezbrania Qmax Data wystąpienia Qmax
03:30; 03:50
18:00
08:00
06:00
16:00
2010-06-02 08:00 2010-06-07 13:00 145,0 2010-06-02 17:30; 17:50-18:40 33,22
Tabela 9. Podstawowe charakterystyki fal wezbraniowych i opadów w przekroju Gorzuchów na Ścinawce Okres wystąpienia wezbrania Qmax
18:00
Załącznik II. Charakterystyka obiektów hydrotechnicznych kaskady Nysy Kłodzkiej (lokalizację zbiorników na Nysie Kłodzkiej przedstawiono na rysunku 1)
ZBIORNIK OTMUCHÓW
Został wybudowany w latach 1928-1933 przez państwo niemieckie. Zapora zbiornika zlokalizowana jest w 75,8 km rzeki Nysy Kłodzkiej. Zlewnia Nysy Kłodzkiej w przekroju zapory wynosi 2 350 km2 .
Zapora ziemna przegradzająca dolinę Nysy Kłodzkiej ma długość 6,5 km, szerokość korony 5,0 m, a maksymalną szerokość w podstawie 120 m. Rzędna korony zapory, równa 218,00 m NN, jest wzniesiona o 2 m ponad awaryjny poziom piętrzenia wynoszący 216,00 m NN.
Główną częścią korpusu zapory od strony odpowietrznej jest nasyp uformowany z materiału przepuszczalnego, przechodzący w bardziej zwięzły od strony odwodnej. Uszczelnienie zapory stanowi ekran iłowy o grubości 1,5 m i nachyleniu 1:1,6, który zagłębiony jest pionowym zębem w nieprzepuszczalne iły trzeciorzędowe. Bezpośrednio nad ekranem znajduje się filtr odwrotny z materiału przepuszczalnego. Ubezpieczenie skarpy od strony odwodnej stanowi warstwa bruku.
Urządzenia zrzutowe zbiornika to:
− sześć upustów dennych o łącznym wydatku 510 m 3/s (fotografia I);
− kamienno-betonowy przelew powodziowy zlokalizowany w prawej końcowej partii zapory ziemnej w rejonie miejscowości Ścibórz. Składa się on z części stałej o długości 206 m, o rzędnej korony przelewu 213,80 m NN i wydatku 565 m3/s przy maksymalnej rzędnej piętrzenia 215,00 m NN oraz z części ruchomej zamykanej dwoma segmentami o świetle 2×15 m.
Rzędna progu, na którym opierają się segmenty wynosi 210,50 m NN, a rzędna korony segmentów – 213,80 m NN. Wydatek segmentów przy maksymalnej rzędnej piętrzenia 215,00 m NN to 245 m 3/s. Przy awaryjnym poziomie piętrzenia, tj. 216,00 m NN, maksymalny wydatek przelewu wynosi 1 500 m 3/s (przy segmentach całkowicie otwartych).
W zaporze zbiornika Otmuchów znajduje się elektrownia wodna wyposażona w dwie turbiny Kaplana o łącznym wydatku 2×21,5 m3/s = 43 m3/s.
Łączny wydatek urządzeń zrzutowych zapory i elektrowni wodnej wynosi 1 363 m3/s przy maksymalnym poziomie piętrzenia 215,00 m NN. Przy awaryjnym poziomie piętrzenia do rzędnej 216,00 m NN łączny wydatek tych urządzeń wynosi około 2 000 m3/s.
W projekcie budowy zbiornika przyjmowano jako najwyższy możliwy dopływ do zbiornika Q = 1 800 m3/s.
Głównym zadaniem zbiornika w okresie od 1933 do 1997 roku było zasilanie rzeki Odry dla celów żeglugowych poprzez wykorzystanie pojemności użytkowej wynoszącej 95 mln m 3 w warstwie między rzędnymi 204,94 m NN a 213,00 m NN.
W pierwszym okresie eksploatacji zbiornik miał następujące rzędne piętrzenia oraz odpowiadające im pojemności:
− maksymalny poziom piętrzenia 215,00 m NN, pojemność 143 mln m 3 ;
− normalny poziom piętrzenia 213,00 m NN, pojemność 100 mln m 3 ;
− minimalny poziom piętrzenia 204,94 m NN, pojemność 5 mln m 3 .
Po powodzi w 1997 roku, na wniosek autora, zwiększono znacznie rezerwy powodziowe zarówno na zbiorniku Otmuchów, jak i na zbiorniku Nysa. Odbyło się to jednak kosztem pojemności użytkowej przeznaczonej dla zasilania odrzańskiej drogi wodnej. Tym samym zmieniono priorytety zadań kaskady zbiorników Nysa i Otmuchów, z funkcji zbiorników przeznaczonych głównie dla celów żeglugowych na zbiorniki przeciwpowodziowe.
Podział pojemności zbiornika Otmuchów po zmianie wielkości rezerw powodziowych, a więc dla stanu z 1999 roku, przedstawiono w tabeli I. Schematyczny przekrój poprzeczny bloku zrzutowego zbiornika Otmuchów i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej przedstawiono na rysunku I.
Tabela I. Podział pojemności zbiornika Otmuchów
Rodzaj pojemności
Pojemność Okres gospodarki wodnej Cząstkowa (mln m3) Łączna (mln m3)
A. Zapas żelazny: od 196,59 do 206,86 m NN 11,25 11,25
B. Pojemność użytkowa:
a) pojemność zastrzeżona: od 206,86 do 208,24 m NN
b) pojemność robocza: od 208,24 do 210,50 m NN od 208,24 do 212,10 m NN
C. Pojemność powodziowa:
a) rezerwa powodziowa stała: od 210,50 do 213,80 m NN
od 212,10 do 213,80 m NN
b) rezerwa powodziowa forsowana od 213,80 do 215,00 m NN
15.06-15.09 01.10-30.05
15.06-15.09 01.10-30.05
Rys. I. Schematyczny przekrój poprzeczny zbiornika Otmuchów i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej
ZBIORNIK NYSA
Oddany do eksploatacji w 1972 roku, jest zamknięty zaporą ziemną o długości 5250 m, zlokalizowaną w 62,9 km rzeki Nysy Kłodzkiej. Ubezpieczenie i uszczelnienie od strony odwodnej stanowi nieprzepuszczalny ekran żelbetowy połączony z przesłoną iłowo-betonową. Przy rzędnej 196,67 m n.p.m. długość akwenu zbiornika wynosi około 8 km, a szerokość zalewu zmienia się od 0,1 do 3,8 km.
Powierzchnia zlewni Nysy Kłodzkiej do przekroju zapory wynosi 3 253 km2 , w tym zlewnia różnicowa 901 km2 (dopływy Białej Głuchołaskiej, Świnnej, Widnej i Raczyny, które wpadają do zbiornika Nysa poniżej zapory zbiornika Otmuchów).
Według pierwotnych założeń z 1961 roku w zaporze zbiornika przewidziano następujące urządzenia zrzutowe:
− cztery upusty denne o wymiarach 3,0 m × 4,0 m, z możliwością uzyskania odpływu 350 m 3/s przy rzędnej piętrzenia 194,84 m n.p.m.;
− przelew stały o długości 190 m i rzędnej korony 198,04 m n.p.m.;
Fot. I. Widok od strony wody dolnej na upusty denne i elektrownię zbiornika Otmuchów
− trzy przelewy sterowane z zamknięciami segmentowymi o świetle po 14 m każdy, o rzędnej progu 195,04 m n.p.m. i rzędnej korony 198,04 m n.p.m.
Dodatkowo zbiornik Nysa miał być wyposażony w dwie turbiny o łącznym wydatku 40 m3/s.
Komisja Oceny Projektów Inwestycyjnych przy Radzie Ministrów wprowadziła jednak do pierwotnego projektu istotne zmiany w zakresie konstrukcji zapory i urządzeń zrzutowych, co w znacznym stopniu zmieniło założenia gospodarki wodnej na kaskadzie zbiorników Otmuchów-Nysa, szczególnie w okresie powodzi. Brak upustów dennych, z których zrezygnowano w ostatecznym rozwiązaniu, ogranicza możliwości sterowania odpływem ze zbiornika i utrudnia gospodarkę wodną w strefie rezerwy powodziowej, szczególnie w okresie zimowym.
Od czasu oddania do eksploatacji zbiornika Nysa, tj. od 1972 do 2016 roku, urządzeniem zrzutowym zbiornika był jaz czteroprzęsłowy zamykany segmentami, o rzędnej progu stałego 192,14 m n.p.m. i koronie segmentów 197,84 m n.p.m., o łącznym wydatku 1 880 m 3/s przy maksymalnej rzędnej piętrzenia 198,84 m n.p.m. (fotografia II), W bloku zrzutowym znajdowała się elektrownia wodna wyposażona w dwie turbiny o wydatku 2×20 m3/s.
W pierwszym okresie eksploatacji (1972-1997) zbiornik miał następujące rzędne oraz odpowiadające im pojemności:
− maksymalny poziom piętrzenia 198,84 m n.p.m., pojemność 111,0 mln m 3 ;
− normalny poziom piętrzenia 197,44 m n.p.m., pojemność 83,9 mln m 3 ;
− minimalny poziom piętrzenia 190,84 m n.p.m., pojemność 5,0 mln m 3 .
Po zwiększeniu rezerw powodziowych w 1997 roku (analogicznie do zbiornika Otmuchów) podział pojemności zbiornika Nysa zestawiono w tabeli II. Schematyczny przekrój poprzeczny bloku zrzutowego zbiornika Nysa i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej przedstawiono na rysunku II.
Zbiornik Nysa, jako zbiornik położony najniżej w kaskadzie Nysy Kłodzkiej, ma zasadnicze znaczenie dla bezpieczeństwa niżej leżącej doliny Nysy Kłodzkiej. Dlatego też jego stan techniczny jest bardzo ważny. Pomiary kontrolne prowadzone są systematycznie przez Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór IMGW-PIB oraz przez obsługę zbiornika. Wykonane na tej podstawie oceny stanu technicznego uzasadniły dopuszczenie do eksploatacji zbiornika Nysa na warunkach określonych w obowiązującym pozwoleniu wodnoprawnym, tj. do poziomu maksymalnego piętrzenia 198,84 m n.p.m.
Stan techniczny zapory czołowej został oceniony zasadniczo jako dobry. W żadnym z analizowanych przekrojów pomiarowych nie zaobserwowano zjawisk mogących świadczyć o istotnym pogarszaniu się stanu korpusu, nadmiernych osiadaniach lub niepokojących zjawiskach filtracyjnych. Jednak stan dylatacji i płyt ekranu ekranu jest w wielu miejscach zły, mimo wcześniej przeprowadzonych remontów
Tabela II. Podział pojemności zbiornika Nysa
Rodzaj pojemności
A. Zapas żelazny:
Pojemność Okres gospodarki wodnej Cząstkowa (mln m3) Łączna (mln m3)
od 185,44 do 190,84 m n.p.m. 8,10 8,10
B. Pojemność użytkowa:
a) pojemność zastrzeżona: od 190,84 do 193,00 m n.p.m.
b) pojemność robocza: od 193,00 do 195,00 od 193,00 do 196,67
C. Pojemność powodziowa:
c) rezerwa powodziowa stała: od 195,00 do 197,84 m n.p.m. od 196,67 do 197,84 m n.p.m.
d) rezerwa powodziowa forsowana: od 197,84 do 198,84 m n.p.m.
15.06-15.09 01.10-30.05
15.06-15.09 01.10-30.05
i napraw. Poziom możliwości technicznych wykonania tej konstrukcji i słaba jakość materiałów sprzed czterdziestu lat spowodowały, iż zamknięcia dylatacji płyt ekranu nie gwarantują dziś szczelności, a procesy starzenia się i korozji sukcesywnie pogarszają ich stan.
Zgodnie z obowiązującymi przepisami budowla wodna I klasy, jaką jest zapora zbiornika Nysa, powinna posiadać upusty denne. Na etapie realizacji zbiornika zdecydowano jednak, że blok zrzutowy nie zostanie wyposażony w te urządzenia.
Natomiast weryfikacja podstaw hydrologicznych, jakiej dokonał po powodzi w lipcu 1997 roku Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, a w szczególności analiza hydrogamów fal na Nysie Kłodzkiej z lipca 1997 r., spowodowały, iż obliczeniowy dopływ wód powodziowych (dopływ miarodajny i kontrolny) do zbiornika Nysa został istotnie zwiększony. Spowodowało to konieczność zwiększenia wydatku urządzeń zrzutowych do wielkości Qk = 3 640 m 3/s poprzez przebudowę urządzeń zrzutowych zbiornika Nysa.
Obecnie zakończono modernizację zbiornika Nysa. Unowocześniona budowla zrzutowa składa się z trzyprzęsłowego jazu przelewowego o wysokich progach, zamykanego segmentami. W filarach skrajnych tej budowli znajdują się dwie turbiny energetyczne. Wykonane dodatkowo dwa upusty denne stanowią dwa kanały o wymiarach 4,3 m × 7,15 m i 4,05 m × 7,15 m. Dodatkowo wykonano przelew awaryjny o wymiarach 5 × 32,0 m × 2,9 m, zamykany klapami o rzędnej progu stałego 197,00 m n.p.m. i rzędnej górnej krawędzi klap 199,90 m n.p.m. Przelew awaryjny będzie kierował wody ze zbiornika Nysa do kanału ulgi o długości około 11,0 km, który zostanie wykonany w drugim etapie.
Rys. II. Schematyczny przekrój poprzeczny zbiornika Nysa i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej
Maksymalny wydatek bloku zrzutowego wynosi 2 840 m 3/s (przelew 2 255 m 3/s, upusty denne 545 m 3/s, turbiny 40 m 3/s). Natomiast maksymalny wydatek przelewu awaryjnego wynosi 800 m 3/s, a maksymalny wydatek urządzeń zrzutowych zbiornika – 3 640 m3/s.
Przebudowa urządzeń zrzutowych zbiornika Nysa nie wpływa na przeprowadzone obliczenia symulacyjne na zbiornikach Nysa i Otmuchów, ponieważ obliczenia opierają się na zadanych wielkościach odpływów z poszczególnych zbiorników. Dobry stan techniczny zbiornika Nysa i zwiększone rezerwy powodziowe na zbiornikach Nysa i Otmuchów zapewniają dobre efekty przy redukcji fal powodziowych. Jednak chyba czynnikiem najważniejszym, wpływającym w zasadniczy sposób na efektywność gospodarki wodnej w czasie powodzi, jest odprowadzanie ze zbiorników możliwie dużych odpływów dozwolonych, szczególnie w pierwszym okresie wezbrania.
Fot. II Widok od dolnej wody na blok zrzutowy zbiornika Nysa
ZBIORNIK KOZIELNO
Powyżej zbiornika Otmuchów zlokalizowany jest zbiornik Kozielno. Obiekt ten został oddany do użytku w 2002 roku w miejscu wyeksploatowanej kopalni kruszywa. Zbiornik Kozielno wchodzi w skład kaskady zbiorników Topola-Kozielno, położonych częściowo na terenie województw opolskiego i dolnośląskiego. Zlewnia Nysy Kłodzkiej do przekroju zapory w km 90,527 wynosi A = 2 207 km2. Zbiornik ten jest obiektem I klasy. Podstawowe obiekty wchodzące w skład zbiornika Kozielno to:
− zapory ziemne czołowa i boczna, o korpusie strefowanym z uszczelnieniem podłoża przesłoną wodoszczelną;
− budowla zrzutowa o konstrukcji żelbetowej zamykana klapami stalowymi;
− przepławka dla ryb w formie kanału obiegowego wokół lewego przyczółka jazu i elektrowni;
− elektrownia wodna przy lewym przyczółku zapory, połączona z budowlą zrzutową;
− czasza i obrzeża zbiornika;
− budowle towarzyszące i infrastruktura techniczna (drogi, sieć energetyczna).
Zapora o długości 1 580 m ma następujące podstawowe parametry:
− szerokość korony 5,00 m;
− rzędna korony 225,00 m n.p.m.;
− nachylenie skarpy odwodnej 1:7 do rzędnej 223,50 m n.p.m. i 1:2,5 powyżej;
− nachylenie skarpy odpowietrznej 1:2,5.
Lewe skrzydło zapory czołowej przedłużone jest zaporą boczną, która łączy się z naturalnym podniesieniem terenu w rejonie cofki zbiornika.
Rzędne poziomów piętrzenia oraz odpowiadające im pojemności zbiornika przedstawiono w tabeli III. Schematyczny przekrój poprzeczny bloku zrzutowego zbiornika Kozielna i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej przedstawiono na rysunku III.
Tabela III. Podział pojemności zbiornika Kozielno
Rodzaj pojemności
Pojemność Częściowa (mln m3) Łączna (mln m3)
A. Zapas żelazny: od 216,00 do 218,00 m n.p.m. 1,20 1,20
B. Pojemność użytkowa: od 218,00 do 222,50 m n.p.m. 11,80 13,00
C. Pojemność powodziowa:
a) rezerwa powodziowa stała: od 222,50 do 223,50 m n.p.m.
b) rezerwa powodziowa forsowana: od 223,50 do 224,70 m n.p.m.
Rys. III. Schematyczny przekrój poprzeczny bloku zrzutowego zbiornika Kozielno i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej
ZBIORNIK TOPOLA
Zbiornik Topola znajduje się bezpośrednio powyżej zbiornika Kozielno. Został on oddany do użytku w 2002 roku w miejscu wyeksploatowanej kopalni kruszyw. Zapora czołowa zbiornika zlokalizowana jest w km 93+814 rzeki Nysy Kłodzkiej. Zlewnia Nysy Kłodzkiej do przekroju zapory wynosi 2 134,2 km2. Zbiornik Topola jest obiektem II klasy. Podstawowe obiekty wchodzące w skład zbiornika Topola to:
− zapora czołowa o konstrukcja ziemnej, strefowanej z gruntów miejscowych;
− obwałowania kierujące na wlocie do zbiornika, lewobrzeżne i prawobrzeżne. Są to konstrukcje ziemne z gruntów miejscowych wraz z bramami powodziowymi na styku z obwałowaniami zbiornika i przepustami wałowymi;
− budowla zrzutowa o trzyprzęsłowej konstrukcji żelbetowej, monolityczna, zamykana klapami stalowymi dwudzielnymi, wyposażona w dwa przewody spustów dennych z mechanizmami napędowymi w filarach i przyczółkach;
Fot. III. Widok od strony wody dolnej na blok zrzutowy i elektrownię zbiornika Kozielno
− elektrownia wodna za lewym przyczółkiem, zblokowana z budowlą zrzutową, wyposażona w trzy turbozespoły;
− przepławka dla ryb w lewym przyczółku budowli zrzutowej, typu komorowego:
− przelew powierzchniowy wykonany jako oczep żelbetowy na stalowej ściance szczelnej, ubezpieczony gabionami, działający samoczynnie.
Zapora czołowa o długości całkowitej 4 679 m ma następujące parametry:
− szerokość korony 10,0 m;
− rzędna korony 232,60 m n.p.m.;
− nachylenie skarpy odwodnej zmienne od 1:6 do 1:1;
− nachylenie skarpy odpowietrznej 1:3.
Do przepuszczenia wód powodziowych służy dodatkowo przelew powierzchniowy o przekroju trapezowym, wykonany w formie lokalnego obniżenia korony zapory do rzędnej 229,35 m n.p.m. na długości 100 m, zlokalizowany w prawym skrzydle zapory czołowej. Potrzeba budowy tego przelewu wynikła ze zwiększonych po powodzi 1997 roku przepływów obliczeniowych oraz z konieczności dostosowania poziomu bezpieczeństwa zbiornika do niżej leżącego zbiornika Kozielno będącego obiektem I klasy.
Poziomy piętrzenia oraz odpowiadające im pojemności zbiornika przedstawiono w tabeli IV. Schematyczny przekrój poprzeczny bloku zrzutowego zbiornika Topola i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej przedstawiono na rysunku IV.
Powyżej zbiornika Topola znajdują się dwa suche zbiorniki przeciwpowodziowe:
− zbiornik Międzygórze zlokalizowany na potoku Wilczka w rejonie miejscowości Międzygórze, o maksymalnej pojemności 0,83 mln m 3 ;
− zbiornik Stronie Śląskie zlokalizowany na potoku Morawka koło Stronia Śląskiego, o maksymalnej pojemności 1,38 mln m 3 .
Tabela IV. Podział pojemności zbiornika Topola
Pojemność
Rodzaj pojemności
Częściowa (mln m3) Łączna (mln m3)
A. Zapas żelazny: od 219,50 do 223,00 m n.p.m. 4,00 4,00
B. Pojemność użytkowa: od 223,00 do 229,00 m n.p.m. 17,90 21,90
C. Pojemność powodziowa:
a) rezerwa powodziowa stała: od 229,00 do 230,35 m n.p.m.
b) rezerwa powodziowa forsowana: od 230,35 do 232,15 m n.p.m.
Rys. IV. Schematyczny przekrój poprzeczny bloku zrzutowego zbiornika Topola i charakterystyczne poziomy piętrzenia dla gospodarki wodnej
Ze względu na małe pojemności, zadaniem tych zbiorników jest jedynie ochrona przeciwpowodziowa miejscowości znajdujących się bezpośrednio poniżej. Nie mają one istotnego wpływu na redukcję przepływów na samej Nysie Kłodzkiej. Stanowią one jednak, zdaniem autora, istotną osłonę hydrologiczną dla kaskady zbiorników retencyjnych Nysy Kłodzkiej. Nota bene przy wszystkich wezbraniach powodziowych informacje z tych zbiorników były uwzględniane w prowadzeniu gospodarki wodnej na zbiornikach Topola, Kozielno, Otmuchów i Nysa.
Fot. IV. Widok od dolnej wody na blok zrzutowy zbiornika Topola
-cz. II
