Magyar Hidrológiai Társaság XXI. Ifjúsági Napok Mosonmagyaróvár, 2014. szeptember 18-19.
A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D hidrodinamikai modellje
Tiszaörs, 2014. augusztus 22.
Készítette:
Richter József
vízgazdálkodási ügyintéző KÖTIVIZIG Kiskörei Szakaszmérnökség
TARTALOMJEGYZÉK: A TISZAFÜREDI ÖNTÖZŐ-FŐCSATORNA 1D HIDRODINAMIKAI MODELLJE .................................... 3 A FŐCSATORNA MŰKÖDÉSI TERÜLETÉNEK GEOMORFOLÓGIAI ÉS HIDROMETEOROLÓGIAI JELLEMZÉSE............................................................................................................................. 3 DOMBORZATI ADATOK ............................................................................................................ 3 FÖLDTANI ADOTTSÁGOK: ........................................................................................................ 4 HIDROMETEOROLÓGIAI JELLEMZÉS ......................................................................................... 5 VÍZTESTJELLEMZÉS ............................................................................................................... 11 A HEC-RAS ÉS ANNAK FEJLESZTŐI KÖRNYEZETE ................................................................ 13 A MODELL FELÉPÍTÉSE .......................................................................................................... 14 GEOMETRIAI ADATOK ........................................................................................................... 15 VÍZHOZAM ADATOK .............................................................................................................. 26 EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE ................................................................................................ 31 IRODALOMJEGYZÉK ............................................................................................................... 36
2
A TISZAFÜREDI ÖNTÖZŐ-FŐCSATORNA 1D HIDRODINAMIKAI MODELLJE A FŐCSATORNA MŰKÖDÉSI TERÜLETÉNEK GEOMORFOLÓGIAI ÉS HIDROMETEOROLÓGIAI JELLEMZÉSE
DOMBORZATI ADATOK A Tiszafüredi öntözőrendszer működési területe nagyobb részben a Nagykunságot, kisebb részben a Hortobágyot érinti. Maga a főcsatorna a tiszafüred-kunhegyesi síkon kanyarog. A kistájra 87-98 m tengerszint feletti magasságok jellemzőek. Hordalékkúp síkság, ami fluviálisan átmozgatott lösziszapos üledékkel fedett. Az átlagos szintkülönbségek 1 m/km2, a homokbuckás területein 3-4 m/ km2. A felszín legnagyobb része alacsony ártéri és ármentes síkságnak minősül. A felszínt az Észak-északnyugati, Dél-délkeleti csapású, löszös homokkal fedett buckák teszik változatosabbá. Ezek Tiszafüred-Kunmadaras és Tiszaszentimre-Abádszalók-Kunhegyes között találhatóak. A halmok magassága 2-5 m. A holocén kori Tisza többszöri mederváltozásának fennmaradt emlékei a különböző feltöltődöttségi állapotban lévő morotvák Oktalan-lapos, Üllő-lapos és a Kakat-ér.
1. sz. ábra: A tiszafüred-kunhegyesi sík települései (Vízgyűjtőgazdálkodási terv, 2-18 Nagykunság tervezési alegység kiegészítő anyag, KvVM)
1=Abádszalók, 2=Berekfürdő, 3= Egyek, 4=Kunhegyes, 5=Kunmadaras, 6=Tiszaderzs, 7= Tiszafüred, 8= Tiszagyenda, 9= Tiszaigar, 10= Tiszaörs, 11= Tiszaörvény, 12= Tiszaroff, 13= Tiszaszentimre, 14= Tiszaszőlős, 15= Tomajmonostora.
3
Területhasznosítás belterület szántó kert szőlő rét, legelő erdő vízfelszín ártér, elhagyott terület, bányaterület fentiekből védett terület
% 4,0 77,3 0,4 0,8 12,9 2,9 1,5 0,2 9,4
hektár 3600 69570 360 720 11610 2610 1350 180 8450
1. sz. táblázat: A kistáj területhasználatai települései (Vízgyűjtőgazdálkodási terv, 2-18 Nagykunság tervezési alegység kiegészítő anyag, KvVM)
A sík 77,3 %-án, valamivel több mint 695 km2-nyi területen mezőgazdasági termelés folyik. A védett területek kiterjedése nem éri el az összterület 10 %-át. (Forrás: Vízgyűjtőgazdálkodási terv, 2-18 Nagykunság tervezési alegység kiegészítő anyag: A tiszafüredi-kunhegyesi sík 191-195. o., KvVM) FÖLDTANI ADOTTSÁGOK: A kistájon csakis holocén és pleisztocén végi üledékek vannak a felszínen. A képződmények közül a legidősebb a felső-pleisztocén (későglaciális) futóhomok, amelyet 0,5-2 m vastag homokos lösz fed el. Észak-nyugaton az új-holocénből származó öntésképződmények a legjellemzőbbek (agyag, iszap, iszapos homok), a buckák közti mélyedéseket lápi agyagok töltik ki. A legnagyobb területet az egykori hordalékkúpra (az Északi-középhegységből érkező patakok építették) települt lösziszap képződmények foglalják el. A holocén korban a Tisza szinte a kistáj egész területét bekalandozta, ezzel együtt a homokbuckákat letarolta és a löszös képződményeket sok helyen áttelepítette. Hasznosítható nyersanyagai közül a tiszafüredi, kunmadarasi téglaagyag (3 millió m3) és a tiszafüredi, egyeki homokelőfordulások (0,2 millió m3) jegyezhetőek meg. A potenciális max. szeizmicitása 7° MS. A talajtakaró változatos. A tizenegy, itt található talajtípus közül a löszön kialakult a mezőgazdaság számára is hasznosítható csernozjom jellegű homoktalajok foltjai összesen 6%-ot, az alföldi mészlepedékes csernozjomok 1%-ot, a nagy összefüggő területeket borító réti csernozjomok 26%-ot tesznek ki. A legkedvezőbb termékenységű réti csernozjomok termékenységi besorolása II-IV. között változik, a homokos vályog mechanikai összetételű csernozjom jellegű homoktalajoké csak VII., míg a kiemelkedéseken található, kis területű alföldi mészlepedékes csernozjomoké a humusztartalomtól függően III. vagy V. besorolású. A nehéz mechanikai összetételű, de még nem szikes (agyag) réti talajok 12 %-ot, a réti öntések 3 %-ot tesznek ki. Termékenységi besorolásuk egységesen a VI. talajminőségi kategória. A kistáj 51 %-át öt féle szikes talajtípus borítja. A mélyben a sós és mélyben szolonyeces réti csernozjomok 9 és 3 %-nyi területet fednek be. Ezek még kedvező adottságúnak számítanak a maguk V. és VII. talajminőségi kategóriájukkal. Igen jelentős 18 %-al, főként a hortobágyi területtel határosan a réti szolonyecek kiterjedése. Ezek a roppant gyenge, IX. termékenységű, sztyepesedő szolonyecek ugyancsak 18 %-al részesülnek a terület borítottságából. A kedvezőbb termékenységű (VII.) szolonyeces réti talajok 3 %-os területi részaránnyal vannak. Eme két talajtípuson a mezőgazdasági
4
termelés csak melioratív talajjavítással folytatható. A mezőgazdasági hasznosíthatóságot legjobban a szikesség korlátozza. (Forrás: Vízgyűjtőgazdálkodási terv, 2-18 Nagykunság tervezési alegység kiegészítő anyag: A tiszafüredi-kunhegyesi sík 191-195. o., KvVM)
HIDROMETEOROLÓGIAI JELLEMZÉS A terület éghajlata mérsékelten meleg-száraz. Az évi napfénytartam 1950-2000 óra között változik, úgy, hogy a délnyugati részek élvezik a több napsütést. A nyári időszakban kb. 800, télen 180-190 órán keresztül süt a nap átlagosan. Az évi középhőmérséklet. Északon 9,8-9,9 °C, délen ennél valamivel magasabb 10,0-10,2 °C. A vegetációs időszakban 17,0 °C az átlagos hőmérséklet. Április 10.-ét követően már 10 °C felett van az átlagos napi középhőmérséklet és 191-192 napon keresztül így is marad kb. október 18-19.-ig. A fagymentes időszak keleten április 12.-e körül kezdődik, nyugaton egy kicsivel hamarabb április 8-10 között várható a tavaszi fagyok megszűnése. A legelső őszi fagyokra délnyugaton október 20-22.-e, máshol október 18-20.-a között számíthatunk. A fagymentes időszak keleten durván 190 nap, nyugat-délnyugaton 195-197 nap. A legmelegebb nyári napok középhőmérsékletének az átlaga északnyugaton 34,7-34,8 °C, máshol 35,0 °C. A téli leghidegebb minimumok átlaga pedig -17,5 °C. A csapadék évi összege 520-550 mm közötti, de a középső területen (Kunmadaras térsége és attól délre) kevéssel meghaladja az 550 mm-t. A vegetációs időszakban 320-330 mm csapadék hullik átlagosan. Az egy nap alatt lehullott legtöbb csapadék 114 mm (Abádszalók). Egy rövidebb, 17 éves periódust vizsgáltam meg (1990-2006) az egy év alatt lehullott csapadék mennyiségét figyelembe véve. A csapadékadatok kinyerésénél célom volt, hogy azok a rendszer működési területét nagyban lefedjék. A következő településeket választottam ki:
Tiszafüred
Poroszló
Tiszaörs
Nagyiván
Karcag
Kunhegyes
Kenderes
Tiszaroff
A Vízrajzi évkönyvekben nem találtam adatot: Nagyiván 1995; Poroszló 1997, 1998-as évekről.
5
Az alábbi diagramok a felsorolt települések éves csapadékadatait szemléltetik:
2. sz. ábra: Tiszafüred-Poroszló éves csapadékösszegei 1990-2006 (Saját ábra)
3. sz. ábra: Tiszaörs-Nagyiván éves csapadékösszegei 1990-2006 (Saját ábra)
6
4. sz. ábra: Tiszaroff-Kunhegyes éves csapadékösszegei 1990-2006 (Saját ábra)
5. sz. ábra: Karcag-Kunhegyes éves csapadékösszegei 1990-2006 (Saját ábra)
A rendszer hatásterülete a Pálfai-féle aszály térképen az ország legaszályosabb területei között található, egészen pontosan a PAI10%=9-10, vagyis a nagyon erősen aszályos területek között. Ahogy a csapadékdiagramokon is jól láttuk, a terület átlagos évi csapadékmennyisége csupán 537 mm! A globális felmelegedés miatt hazánkban egyre több aszályos időszakra és egyre kevesebb csapadékra kell számítani. A Duna-Tisza közén már tapasztalhatunk erre utaló jeleket, itt a talajvízszint helyenként már 6-7 m-t süllyedt. A nem megfelelő öntözés miatt ott már kb. 10.000 km2-t fenyeget az elsivatagosodás. Ha hihetünk a klímaváltozással
7
kapcsolatos kutatásoknak, ez a helyzet tovább fog fokozódni, ezért az ország gazdaságának egyre nagyobb szüksége lesz a jó állapotú vízpótló és vízelosztó létesítményekre és egy megfelelő vízkészlet gazdálkodási stratégiára is. A Tiszafüredi öntözőrendszer hatásterülete
6. sz. ábra: Magyarország aszályzónái Pálfai-féle aszályossági index /PAI10%/ (www.tankonyvtar.hu)
Dr. Pálfai Imre ilyen aszályossági térképpel ábrázolta az 1931-2010 közötti évek közül a legaszályosabbakat. Az általam megvizsgált 17 évből Pálfai doktor feldolgozása alapján 6 aszályosnak minősül! Az aszály fogalma alatt elsősorban a csapadékban szegény időjárást értjük. Abban az esetben is beszélhetünk aszályról, ha az egész évben lehullott csapadék mennyisége eléri a megszokottat, de a magas hőmérsékleti viszonyok miatt a talaj párolgási vesztesége a hosszabb ideig tartó szárazságban olyan szinten megnő, hogy a növényzet fejlődéséhez szükséges nedvesség hiánya miatt annak növekedését hátráltatja, bizonyos esetben a növényzet pusztulását is okozhatja. Nagyobb lehet a kár, ha az ilyen, erősen csapadékhiányos időszakot egy száraz, hótalan tél követi, mert akkor a tavaszi, csapadékban bő időszak sem tudja teljes egészében pótolni a talaj vízkészletében keletkezett hiányt. Kárt szenvedhet az ősszel vetett vetés, a tavaszi vetés azért, mert a talajt kevésbé lehet előkészíteni a vetés alá, ezért a vetés hiányosan kel ki, nem megfelelően indul fejlődésnek, így az állomány is jóval gyérebb lesz az adott területen. A rétek, legelők, ezáltal az állattartás is nehezebb helyzetbe kerül aszály esetén. A kevesebb és drágább szálastakarmány a termelékenység csökkenését idézi elő. Összehasonlítva a csapadékadatokat, az aszályossági térképeket és a Tiszafüredi öntözőrendszerbe beemelt vízmennyiséget tökéletesen kirajzolódnak ezek az aszályos évek.
8
Év
Lehullott átlagos csapadék (mm)
1990 1992 1993 1994 2000 2003
461 355 407 421 368 420
Kiemelt vízmennyiség (em3) 9988 9004 9884 8795 8667 10774
Felhasznált vízmennyiség (em3) Szántó Halastó 4355 2813 3241 364 3948 694 3156 464 1360 1748 2256 3060
Veszteség (em3) 1538 5397 4113 5006 2444 2722
Ellátott terület (ha) Szántó Halastó 3720 197 3500 67 2461 33 2286 59 940 162,4 1293 216
2. sz. táblázat: Csapadékban szegény, aszályos évek adatai (Saját táblázat)
7. sz. ábra: Magyarország legaszályosabb éveinek aszályossági térképe (www.geo.u-szeged.hu)
Ahogy azt a térképeken is látjuk a Nagykunságot az 1992, 1993 és 2003-as évben sújtotta legjobban az aszály. Készítettem egy kimutatást, hogy az adott évben a szántókra és halastavakra külön nézve hány mm csapadékot juttattak ki a gazdák átlagosan.
9
Összehasonlítás képpen a csapadékosabbnak számító évekről is kiválogattam párat, amiket szintén megvizsgáltam.
Év
Aszályos évek Szántó Halastó (m3/m2) (m3/m2)
Csapadékos évek Év
Szántó (m3/m2)
Halastó (m3/m2)
1990
0.117
1.428
1995
0.124
0.604
1992
0.093
0.543
1996
0.112
1.249
1993
0.160
2.103
2001
0.069
1.416
1994
0.138
0.786
2004
0.134
1.398
2000
0.145
1.076
2005
0.099
1.071
2003
0.174
1.417
2006
0.121
0.857
3. sz. táblázat: Évenként kiadagolt átlagos csapadékmennyiségek (Saját táblázat)
Az 1992-es nagy aszály évében a kiadagolt csapadékmagasság szántón csupán 93 mm volt átlagosan négyzetméterenként. A halastavakba se juttattak sok vizet, csak 543 mm-t átlagosan. Az ezt követő esztendő valamivel csapadékosabb volt, ekkor 407 mm hullott a területre átlagosan, ami önmagában még így is kevés. Az 1993-as adatok szerint szántóra 160 mm-t jutattak ki a gazdálkodók. A talaj vízkészlete az előző évi aszályos időjárás miatt csökkent, így a plusz csapadékra nagy szükség volt a tenyészidőszakban a haszonnövények megfelelő fejlődéséhez. Halastóra ekkor 2103 mm-t engedtek be átlagosan négyzetméterenként. Ez az érték nagyon magas, amit magyarázhatunk a szárazabb talajba történő elszivárgással, a magasabb párolgással illetve üres, új halastó feltöltéssel is. A 2000-es esztendőben 368 mm csapadék esett. E mennyiség mellé a gazdák jóvoltából a termőterületekre kiöntözött csapadékmagasság 145 mm, még a halastavakba betáplált 1076 mm volt négyzetméterenként. 1999-ben a rendszer működési területére átlagosan 711 mm csapadék hullott, 1998. szintén csapadékosabb volt, így a talaj vízháztartásának volt ideje rendeződni, ezért a 2000-ben bekövetkezett nagyobb méretű aszály idején volt egy kis tartalék a talajban, igaz a vízkivételi műn ennek ellenére több mint 8,6 millió m 3-t emeltek ki. 2003-ban szinte az egész Nagykunság 12-es PAI10% aszályossági index felett szerepelt. Ekkor szántóra 174 mm/m2, halastóra 1417 mm/m2 csapadékmagasságot juttattak ki. Ez a szántók esetében a 420 mm-nyi természetes csapadékkal együtt 594 mm csapadékot jelentett éves szinten. A kiemelt vízmennyiség ebben az évben meghaladta a 10 millió m3-t. Miután megnéztük az aszályos éveket, úgy gondolom néhány pillantást vetnünk kell a csapadékban gazdagabb esztendőkre is.
10
Év
Lehullott átlagos csapadék (mm)
1991 1995 1996 2001 2004 2005 2006
628 595 646 602 650 778 588
Kiemelt vízmennyiség (em3) 4804 9689 7389 5209 8650 6425 3901
Felhasznált vízmennyiség (em3) Szántó Halastó 1962 301 2312 538 1237 1299 872 2331 1631 3020 860 2567 858 1130
Veszteség (em3) 1538 5397 4113 5006 2444 2722 10774
Ellátott terület (ha) Szántó Halastó n.a. n.a. 1858 89 1101 104 1261 164,65 1218 216 871 239,62 710 131,8
4. sz. táblázat: Csapadékban gazdagabb évek adatai (KÖTIVIZIG VMVO)
A hótakarós napok száma átlagosan 33-34, az átlagos maximális hóvastagság 15-16 cm körül van. A leggyakoribb szélirány az északkeleti majd a nyugati és délnyugati, az átlagos szélsebesség 2,5 m/s. A kevés csapadék különösen indokolttá teszi az öntözéses növénytermesztést. (Források: KÖTIVIZIG VMVO-KÖTIVIZIG Kiskörei Szakaszmérnökség: A Tiszafüredi öntözőrendszer vízmérlegei 1990-2013; A Tiszafüredi öntözőrendszer főműveinek Üzemeltetési Szabályzata (1987); Pálfai Imre: Aszályos évek az Alföldön 1931-2010 között (www.geo.u-szeged.hu); Dr. Konecsny Károly (2010): A víz, mint erőforrás és kockázat (www.tankonyvtar.hu); Vízgyűjtőgazdálkodási terv, 2-18 Nagykunság tervezési alegység kiegészítő anyag: A tiszafüredi-kunhegyesi sík 193-195. o., KvVM);VITUKI-Vízrajzi évkönyvek 1990-2006;KÖTIVIZIG Vízrajzi adatgyűjtemények 1990-2006)
VÍZTESTJELLEMZÉS A víztest neve: Tiszafüredi öntöző-főcsatorna
A víztest VOR kódja: AEQ063
A víztestet alkotó vízfolyás (ok) neve: Tiszafüredi öntöző-főcsatorna
A víztest VKI szerinti típusa, a típus leírás: 26 Mesterséges Hasonló típus: 17 síkvidéki - meszes - közepes-finom - közepes és kis esésű vízgyűjtőjű csatorna
Víztest kategóriája: mesterséges
A vizsgált víztest határai (km): 0+000-36+564
A víztest befogadója (víztest név, km): NK-III-2-5. öntözőcsatorna 3+740
Vízgyűjtőgazdálkodási tervezési alegysége: 2-18 Nagykunság
Részvízgyűjtő kódja, neve: 2 Tisza
Közvetlenül a víztesthez tartozó vízgyűjtő kiterjedése (km2): 1,98
A víztest zárószelvénye fölötti teljes vízgyűjtő kiterjedése (km2): 1,98
11
Az Tiszafüredi öntöző-főcsatorna hatásterülete 380 km2 kiterjedésű mezőgazdasági terület. A csatorna vonalvezetése kanyarulatos, természetes vonultban haladó. A terepszint alatt kotort trapéz- és csésze szelvényű, a terepszint fölött töltésezett. A főcsatorna magassági tartománya 84-88 mBf. közötti. Az öntöző-főcsatorna átlagos mederesése 0,10 ‰, a meder anyaga agyag, illetve előre gyártott mederburkoló elem, KDT lapos burkolat. A vízrendszer domborzata uralkodóan sík, a terület észak-déli irányba lejt. Szinte az egész terület közepesen vagy erősen aszály érzékeny, így a főcsatorna öntözővíz szállítása fontos a Tisza-tó-tól délre, délkeletre fekvő régió vízgazdálkodásának szempontjából. A főcsatorna 6 bögére oszlik, a meglehetősen szerteágazó (7 db mellékcsatornákkal, azokon belül további ágakkal), így nagy területet fed le. A terület magasabb részein a csernozjom talajok, a mélyebb fekvésű részeken a réti és az öntéstalajok a jellemzők. Érintett települések: Tiszafüred, Tiszaörs, Tiszaigar, Tiszaszőlős, Kunmadaras, Tomajmonostora, Abádszalók, Kunhegyes, Karcag. A főcsatorna befogadója az NK-III-2-5 öntözőcsatorna 3+740 szelvénye. A befogadónak nincs visszaduzzasztó hatása az öntöző-főcsatornára. Mesterséges víztest, a hasznosításából adódóan, mesterséges hatásra időszakosan kiszárad. Vízfelszín esése: 2-4 cm/km
Víztestet alkotó vízfolyás neve
Tiszafüredi öntözőfőcsatorna
Mederviszonyok Meder alakja Meder Szakasz anyag Engedélyezett Tényleges
Kisvízi meder szélessége (m)
Középvízi Meder meder esés szélessége (cm/km) (m)
0+0008+687
trapéz
trapéz
beton, agyag
2,50
5,5-6,1
5
8+68715+770
trapéz
trapéz
beton, agyag
1,80
5,0-5,4
8
15+77020+694
trapéz
trapéz
beton, agyag
1,20
4,5-4,8
5
20+69421+070
trapéz
trapéz
beton, agyag
0,75
trapéz
beton, agyag
0,75
21+07036+564
trapéz
5 3,5-4,0 5
5. sz. táblázat: Mederviszonyok a Tiszafüredi öntöző-főcsatornán (Vízgyűjtőgazdálkodási Terv 2-18 Nagykunság tervezési alegység, KvVM)
Lebegtetett hordalék hozama: 0,1 kg/m3 Üledék vastagsága: 10-60 cm Mederfeltöltődés: 5 cm/év Meder süllyedés: nincs.
12
Mivel a Tiszafüredi öntöző-főcsatorna a Mesterséges 26. típusba tartozik és ennek a típusnak a vízgyűjtő gazdálkodási tervekhez tartozó 1-1.-es, vízfolyás típus referencia jellemzők mellékletében nincs saját leírása, így az ehhez legjobban hasonlító 17 típust a síkvidéki meszes - közepes-finom - közepes és kis esésű vízgyűjtőjű csatorna referencia jellemzőit ismertetem. VÍZKÉMIA: Paraméter Kémhatás, pH [-] Vezetőképesség, λ [μS/cm] Klorid, Cl- [mg/l] Oxigéntelítettség, O [%] Oldott oxigén, DO2 [mg/l] Biológiai oxigénigény, BOI5 [mg/l] Kémiai oxigénigény, KOICr [mg/l] Ammónium-nitrogén, NH4-N [mg/l] Nitrit-nitrogén, NO2-N [mg/l] Nitrát-nitrogén, NO3-N [mg/l] Összes nitrogén, N [mg/l] Ortofoszfát-foszfor, PO4-P [mg/m3] Összes foszfor, TP [mg/m3]
Referenciahatárérték 7-8,5 < 800 < 40 60 - 120 >6 <3 < 30 < 0.2 < 0.03 < 0.5 < 1.5 < 150 < 200
6. sz. táblázat: Referencia határértékek (Vízgyűjtőgazdálkodási Terv 2-18 Nagykunság tervezési alegység melléklete)
(Források: Vízgyűjtőgazdálkodási terv (2010): 2-18 Nagykunság tervezési alegység 1-1 melléklet: vízfolyás referencia jellemzők 17. típus-Síkvidéki-meszes-közepes-finom-közepes és kis esésű vízgyűjtő 1-3. o.; 1-3 melléklet: Vízfolyások víztest jellemzése-Tiszafüredi öntözőfőcsatorna 1-13. o.; KvVM, www.vizeink.hu) A HEC-RAS ÉS ANNAK FEJLESZTŐI KÖRNYEZETE A modell elkészítéséhez HEC-RAS (verziószám 4.1) 1D hidrodinamikai modellező programot használtam. A programot az Egyesült Államok hadserege, azon belül is a United States Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Centers (Amerikai Egyesült Államok Katonai Mérnöki Kara, Vízügyi Mérnöki Központ) fejlesztette ki. A HEC-et 1964ben alapították, székhelye: Davis, California állam, USA. A HEC céljai között szerepel vízügyi programok kifejlesztése, frissítése továbbá e programok kezelésének oktatása, megismertetése az őket felhasználó mérnökökkel. A Központ alkalmazottjait egy 30 főből álló mérnök és programozó csapat alkotja. A Vízügyi Mérnöki Központ által legelsőnek kifejlesztett programok:
HEC-1 (Lefolyási modell)
HEC-2 (Hidraulikai program)
13
Azóta a HEC által kiadott néhány szoftver:
HEC-DSS
HEC-FDA
HEC-RAS
HEC-GeoRAS
HEC-HMS, stb.
A HEC által kifejlesztett szoftverek a honlapjukon szabadon hozzáférhetők és letölthetők. Mivel a program ingyenes, így azok is hozzájutnak, akik máskülönben nem tudnák megvásárolni. A szélesebb körű felhasználtság miatt több visszajelzést kaphatnak annak a hibáiról, ezáltal a szoftver fejlesztése is egyszerűbb. A HEC-RAS egy mozaikszó, jelentése: „Hydrologic Engineering Centers River Analysis System”. Az első változatát 1995-ben adták ki, ami már akkor is mindenki számára szabadon hozzáférhető volt. E program közreműködésével egész pontosan le lehet modellezni az adott jelenségeket (árvíz, belvízcsatornák vízszállítási képessége stb.), mivel a modellben külön meg lehet adni a:
Geometriai adatokat
Vízhozam adatokat
A szállított hordalék mennyiségét
A mederérdességet
Az eséseket
A műtárgyak Q/H görbéit
Ebben a sokoldalú programban a bevitt adatokat különböző módszerekkel lehet megvizsgálni a szükséges geometriai adatok és határfeltételek bevitele után pl. permanens, kvázi permanens és nem permanens vízhozamok esetén. A program segítségével a műtárgyak pontos kezelését (nyitás, zárás) is meg lehet határozni. (Forrás: www.hec.usace.army.mil) A MODELL FELÉPÍTÉSE A HEC-RAS angol nyelvű program, azon belül amerikai-angol. Mielőtt elindítjuk a programot meg kell győződnünk arról, hogy a számítógépünk át van-e állítva erre a nyelvre. Ezt a Vezérlőpult menüben a „Területi és nyelvi beállítások” almenüben tehetjük meg. A program addig nem fog futni, még ezt a beállítást el nem végeztük. Amint ezzel készen vagyunk, elindíthatjuk magát a programot. A következő lépés, hogy mivel itt Európában SI mértékegység rendszert használunk a program alap beállítása pedig Metrikus, ezért ezt szintén be kell állítani az Option menü Convert Project Units almenüben a számunkra aktuálisra. Miután létrehoztuk a saját Projekt fájlunkat megkezdődhet az adatok programba vitele.
14
GEOMETRIAI ADATOK Az „Edit/enter geometric data” gomb lenyomásával eljutunk a geometriai adatok bevitelére alkalmas felületre. Ezen a felületen belül a legelső lépésként megrajzoltam a főcsatorna vonalvezetését. Ennél a lépésnél arra kell figyelni, hogy a megrajzolt szakasz arra felé fog folyni, amerre a vonalat húzzuk. Ha befejeztük a rajzolást egy dupla kattintással kiléphetünk belőle, ekkor a felugró ablakban megadhatjuk a vízfolyás nevét illetve a megrajzolt szakasz nevét külön. Az is mindegy, hogy milyen hosszú vonalat rajzolunk, mivel a program a későbbiekben azt úgy fogja interpolálni, ahogy a geometriai adatokat bevisszük. Két különböző szakaszt vagy vízfolyást egy csomóponttal (Junction) kapcsolhatunk össze. A csomópontokat ugyanitt tudjuk létrehozni és beállítani a kívánt követelmények szerint. Miután megrajzoltuk a teljes vízfolyást elkezdhetjük a keresztszelvényadatok bevitelét. Fontos, hogy a programban a vízfolyások torkolata rendelkezik a 0+000 szelvényszámmal. Ez folyóknál és belvízcsatornáknál megszokott, de a Tiszafüredi öntöző-főcsatorna esetében nem, ugyanis a főcsatornát a szivattyúteleptől kezdték el szelvényezni, ezért ebben az esetben a torkolati szelvénye egyben a végszelvénye is. Emiatt a programban lévő szelvényszámok eltérnek a valós szelvényszámoktól, mivel azok számozása megfordult. A HEC-RAS-ban megadott szelvényszámokat egy excel tábla segítségével számoltam át, így a keresztszelvények a programban is a megfelelő helyen vannak.
1. sz. kép: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna nyomvonala (A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
Keresztszelvényt létrehozni itt a Geometriai adatok bevitele menüben lehet. Rákattintunk a „Cross Section” gombra, ezzel egy időben megjelenik egy új ablak. Ebben az ablakban az 15
„Option” menüben az „Add a new Cross Section” parancsot kiválasztva adtam meg a szükséges adatokat:
a mért szelvényben 0-tól való vízszintes távolság
pontok tengerszint feletti magassága
Ezek ismeretében kirajzoltattam a szelvény alakját. Ezen felül további finomhangolásokat végezhetünk a keresztszelvényeken. Megadhatjuk a „Downstream Reach Lengths”-t, ami azt jelenti, hogy az aktuális keresztszelvény meddig „érvényes” ez a távolság a következő, alatta lévő keresztszelvény távolságával egyenlő. Külön adhatjuk meg ezt az értéket a vízvezető mederre és a két oldalon lévő hullámtérre is. A következő lehetőségben a Manning-féle „n” mederérdességeket állíthatjuk be. Itt is külön-külön állíthatjuk be a vízvezető mederre és a jobb- és bal parti hullámterekre is. A Manning-féle meder érdességet két módon szokták alkalmazni. Pl. a Manning k=40 m1/3/s érdességi tényező a hullámtéren alacsony fű érdességi tényezője. A programban az „n” érdességet használjuk, ami nem mást, mint 1/k vagyis a példa szerint k=40→1/40= 0,025. Ezután a „Main Channel Bank Station”-t vagyis a főmeder és a hullámterek határpontját állíthatjuk be. Innen fogja tudni a program, hogy mi számít hullámtérnek és mi főmedernek, így a keresztszelvényünket minden adattal felruháztuk. A „Geometric data” almenüben adhatunk még a modellhez hidakat, átereszeket, vízkormányzó műtárgyakat, szivattyúállásokat, tározókat.
2. sz. kép: A 0+000 szelvény a modellben
A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna adatállománya igencsak hiányos, ezért a modell megalkotásához elengedhetetlen volt egy friss mérés a rendszer főütőeréről. Előzetes konzultálást követően, és mivel maga az öntöző-főcsatorna igen hosszú csak a jellemző helyeken és egy-két köztes ponton vettem fel keresztszelvényt. A munkámat hátráltatta, hogy maga a rendszer nagyon elhanyagolt, így csakis a műtárgyak (vízkormányzó és a közlekedésre alkalmas áthidalások) közvetlen környezetében tudtam mérni.
16
Összesen 44 keresztszelvény segítségével építettem fel a modell geometriáját. A felméréshez az alábbi eszközöket használtam: SOKKIA B20 szintezőműszer
a műszerhez tartozó szintezőállvány
5 m-es szintezőléc
mérőszalag
gumiruha
kalapács
fém- és fa karók
Jellemző pontoknak azokat a helyeket választottam, ahol szelvényváltás történik. Ezek a vízkormányzó műtárgyaknál találhatóak. Az alsóbb szakaszokon a bújtatók al-és felvízi részén 2-2 keresztszelvényt mértem fel, mivel itt a 2,5 m3/s vízszállító képességű csatorna kiszélesedik a bújtatók elő- és utófenék részén. A szivattyúteleptől haladva 6 m3/s-ról bögénként csökken a főcsatorna vízszállító képessége 2,5 m3/s-ra az alábbi táblázat szerint: Böge sorszáma 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Szelvényszám 0+000-8+687 8+687-15+770 15+770-20+694 20+694-21+070 21+070-28+225 28+225-36+564
Vízszállító képesség 6 m3/s 5 m3/s 4 m3/s 3 m3/s 2,5 m3/s 2,5 m3/s
7. sz. táblázat: Egyes bögék vízszállító képessége (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna hossz-szelvénye)
A keresztszelvények felvételét a mérőszalag elhelyezésével kezdtük. A bal partra helyeztük a 0-át, majd áthúztuk a meder felett. Ezután felálltam a műszerrel, beállítottam a libellát, majd rámértem az ismert magasságú pontra, így megkaptam a leolvasás síkját. Ezután elkezdődhetett a mérés. A mérés folyamán nem vittem szintezési vonalat, egy, fix pontból mértem fel a keresztszelvényeket. A keresztszelvény felvételek során az alábbi fix pontokat mértem be: partélek vagy a burkolt szakaszokon a rézsűk felső éle töréspont a fenék és a rézsű láb találkozásánál vagy az iszap és a rézsű találkozásánál Ha találtam, akkor a különböző meder deformációkat is bevettem a mérési pontok közé, hogy a valósághoz közeli képet tudjak adni a meder állapotáról. A munkát nehezítette, hogy kevés az alappont a főcsatorna mentén illetve annak hossza valamint az eldugottsága is. Gond volt még a depóniák elhanyagoltsága. Lakott területen kívül, a felső szakaszon a magas fű ellenére gyalogos közlekedésre alkalmas volt, de az alsóbb szakaszokon különböző cserjékkel (akác, kőris, ecetfa, nyárfa) sűrűn benőtt,
17
közlekedésre alkalmatlan. Helyenként a főcsatorna vonalvezetését ezek, a csatornát mindkét oldalról körülölelő növénytársulások emelik ki a szántóföldek közül. Azokban az esetekben, amikor a szintezés folyamán a mederben kellett tartózkodni a figuráns szerepét én vettem át, mivel a kapott gumiruha méretben nekem volt megfelelő. A főcsatorna alsó, burkolatlan medrű szakaszán ütköztem kisebb akadályba, mivel ott „ős állapotok” uralkodnak, a meder olyan szinten be van nőve vízi növényzettel, hogy igen sokáig tartott, mire megtisztítottam a felmérni kívánt szelvényt.
3. sz. kép: A 15+760 cskm. szelvény felvétele (Saját fotó, 2013)
4. sz. kép: Mérés a 28+190 cskm. szelvényben (Saját fotó, 2013)
5. sz. kép: A 36+564-es végszelvény (Saját fotó, 2013)
6. sz. kép: Szelvénytisztítás a 36+557 cskm.-ben (Saját fotó, 2013)
A keresztszelvényeken túl a jelentősebb műtárgyak is beépítésre kerültek. Ezek szám szerint 7 bújtató, és 5 db. zsilip. A műtárgyak pontos paramétereit a KÖTIVIZIG Vízrendezési és Mezőgazdasági Vízszolgáltatási Osztálya által számomra elérhetővé tett műtárgykimutatásokból határoztam meg.
18
A pontos műtárgyméretek: Név
I. zsilip
II. zsilip
III. zsilip
IV. zsilip
V. zsilip
Szélesség (m)
3,50
3,50
3,50
3,50
3,50
Magasság (m)
2,00
2,00
2,24
2,24
1,90
Küszöbszint (mBf.)
88,98
88,26
87,74
87,60
86,51
8. sz. táblázat: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna vízelosztó nagyműtárgyainak főbb paraméterei (KÖTIVIZIG VMVO: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna hossz-szelvénye)
Név
I. bújtató
II. bújtató
III. bújtató
IV. bújtató
V. bújtató
VI. bújtató
VII. bújtató
Átmérő (m)
2,40
2,40
2,40
2,00
1,80
1,80
1,80
Hossz (m)
28
45
30
28
39
44
29
9. sz. táblázat: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna bújtatóinak főbb paraméterei (KÖTIVIZIG VMVO: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna hossz-szelvénye)
A rendszeren vízkormányzó vagy más néven bögéző műtárgyként használt redőnyös zsilipek (7. sz. kép) modellbe történő beépítésekor az volt a különlegesség, hogy a zsilipben nyitáskor a felső lamellák mozdulnak meg először, míg a modellben csak táblás zsilipként lehet modellezni őket, amik alsó nyitásúak. Mivel a műtárgyakról nincsenek hitelesített Q/H görbék, így pontos információt sem tudok adni a különböző nyitásokhoz tartozó vízhozamokról. A rendszeren dolgozók egy nyílását, melynek magassága 8 cm, átfolyási felülete 0,275 m2 400 l/s vízhozam átadására tartották képesnek.
7. sz. kép: Redőnyös zsilip a 28+228 cskm. szelvényben (Saját fotó, 2013)
19
Ez duzzasztás esetében eltérő lehet, mivel az alsóbb tartományokban lévő vízrétegekre nehezedő víznyomás hatására több, még a felső nyílásokon kevesebb víz halad át azonos időegység alatt. A modellben „Inline Structure”-ként lehet hozzáadni ezeket a műtárgyakat. A szelvényszámuk megadása után bevihetjük a műtárgy beton testének adatait a Weir/Embankment-re kattintva. Ami elengedhetetlen a program számára:
a felette lévő keresztszelvénytől való távolság (Distance)
szélesség (Width)
Station-elevation adatok begépelésével kirajzoltathatjuk a műtárgy beton testének alakját.
A Gate gombra kattintván a zsilipnyílás paramétereit vihetjük be a programba:
típus (Gate type)
magasság (Height)
szélesség (Width)
küszöbszint (Invert)
a nyílás tengelyének helye (Centerline station)
8. sz. kép: V. zsilip a modellben 8+335 cskm.-ben (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
20
9. sz. kép: V. zsilip az ortofotón 8+335 cskm.-ben (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
10. sz. kép: Gáttest paraméterek beállítása ablak (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
21
11. sz. kép: Zsilipnyílás adatok szerkesztése ablak (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
A bújtatók kialakításuk szerint a lejtős bújtatók kategóriájába tartoznak. Három, jól elkülöníthető részből állnak:
leszálló rész
vízszintes rész
felszálló rész
8. sz. ábra: Lejtős bújtató kialakítása (Kéri Barbara: BME-Vízépítési segédlet)
A bújtatókat akkor építik, ha a vonalas létesítmények keresztezésénél a szintbeli átvezetés nem oldható meg csak fenékszint süllyesztéssel. Akkor alkalmazzuk, ha a csatorna vize és a keresztezett útvonal vagy csatorna legmélyebb pontja között nincs legalább 0,8 m különbség. A műtárgyban a hordalék kiülepedik, amit rendszeresen el kell távolítani. A nagy mennyiségű hordalék lecsökkentvén az átfolyási szelvényterületet rontja a műtárgy vízvezető képességét. 22
A leszálló részen életvédelmi célból is egy durva rács van betéve, ami a nagyobb méretű uszadékot megfogja. Ezek tisztítása sűrűn indokolt, mert a durva uszadék megfogja a finomabb, kisebb méretűt, ezáltal gyorsan eltömítheti a bújtató felvízi nyílását így visszaduzzasztást okozva a bögében. A programban a bújtatókat csak átereszként lehetett elhelyezni, mivel nincs lehetőség a hosszmenti alakjuk pontos kialakítására a program segítségével. A műtárgyadatok bevitelét a Bridge/Culvert gombra kattintva tehetjük meg. A műtárgy hozzáadását és a szelvényszámát megadva külön határozhatjuk meg maga az áteresz és a felette lévő útpálya paramétereit. Az itt bevitt értékek nem egyezősége esetén a program hibaüzenetben hívja fel a figyelmünket a problémára, mikor futtatni szeretnénk a modellt. A Deck/Roadway gomb megnyomása után állíthatjuk be az úttest adatait (12. sz. kép). Szükséges megadnunk:
a felette lévő keresztszelvénytől való távolságot
az útpálya szélességét
annak magassági illetve hosszúsági adatait viszonyítva, kifejezvén az útpályavastagságot is
a
keresztszelvényhez
12. sz. kép: Híd paraméterek beállítása ablak (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
A Culvert gomb megnyomását követően az áteresz paramétereit vihetjük be a programba (13. sz. kép), aminek az alábbiakra van feltétlenül szüksége:
alak (Shape)
23
átmérő (Diameter)
kialakítás (Chart)
támfal kialakítása (Scale)
felette lévő keresztszelvénytől való távolság (Distance to Upstrm XS)
áteresz hossza (Culvert Length)
érdességi tényező (Manning’s n for top, bottom)
fel- és alvízi küszöbszint (Upstream-Downstream Invert Elevation)
csövek száma (# identical barrels)
áteresz tengelyének helye az alatta és felette lévő keresztszelvényeken (Upstream-Downstream Centerline Station)
13. sz. kép: Áteresz paraméterek beállítása ablak (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
Az áteresz támfalának adatait is meg tudjuk adni a program számára a Sloping Abutment gomb megnyomását követően (14. sz. kép).
24
14. sz. kép: Áteresz támfal adatok bevitele (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
E műtárgyrész beállításánál csupán a magassági adatokra van szükség az alatta és felette lévő keresztszelvényekre nézve.
A kész műtárgy képe a szerkesztőben:
15. sz. kép: A kész áteresz képe a 4+572 cskm. szelvényben (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
A légifotókkal ellátott vonalvezetésen is szemléltetem a műtárgy pontos helyzetét.
25
16. sz. kép: Áteresz az ortofotón a 4+572 cskm. szelvényben (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
Ezt befejezvén minden szükséges adatot megadtunk a geometriából, a következő lépés a vízhozam adatok meghatározása. (Források: KÖTIVIZIG VMVO: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna hossz-szelvénye; KÖTIVIZIG VMO: Ortofotók M=1:10000; Kéri Barbara (2010): BME Vízépítési segédlet Dr. Hamvas Ferenc előadásai alapján 12-13. o. www. vit.bme.hu)
VÍZHOZAM ADATOK A rendszer szíve a Tiszaörvényi szivattyútelep. Röviden ismertetem annak műszaki paramétereit! A Tiszaörvényi szivattyútelepen 3 db gépállást építettek ki, amiből kettő a kezdetektől fogva üzemelt, míg a harmadik tartalékállás volt, azt csak a háború után állították üzembe. Kis érdekesség, hogy a harmadik állásra felszerelt szivattyú tekercselése és kábelezése alumíniummal van megoldva a háború utáni és a tölténygyártás miatti rézhiányból adódóan. A vizet 2 db nagy teljesítményű FBV 26/540-GANZ villanymotor által hajtott CSV-1200/754-GANZ turbinaszivattyú juttatja az öntözőcsatornába. Ezen villanymotorok
26
teljesítménye 370 LE (275 KW), 414-es percenkénti fordulatszámmal. Csúszógyűrűs aszinkron motorok, amiket lágy indítással lehet beüzemelni, ami (0 névleges) folyadékindító ellenállással van megoldva. 5400 mm-es tengelyen 2 turbina forog, különböző lapátszámmal és szögállással ellátva, a nyugodt járás érdekében 5 db bronz siklócsapággyal van megvezetve. A két turbina közül az alsó 4 db. nagy szögállású lapáttal, míg a felső 6 db. kis szögállású lapáttal van felszerelve. A meghajtómotort a szivattyúval csonktengely köti össze. Az összekötő tengely egy dupla falú talp csapágyházhoz csatlakozik, ami egy nyolc szegmensű, ólom ötvözető puhafém csapágy, hajtómű olajban forog. Ez tartja a szivattyúegység aktív súlyát (tengely, turbinák, megmozgatott vízmennyiség). A duplafal között egy kis szivattyúval mozgatott hűtővíz gondoskodik a hűtésről. A szivattyúk emelési magassága 9,81 m. Teljesítményük eredetileg 2 m3/s volt, de a Kiskörei-vízlépcső által létrehozott duzzasztás kedvező hatása miatt ez az érték 2,00-2,20 m3/s között van napjainkban. A vizet 1200 mm-es átmérőjű nyomócsőn keresztül emelik be az öntözőrendszerbe. A nyomóvezeték zavartalan javítása érdekében azokat méretes tolózárral látták el, amik feladata, hogy kizárják a Tisza vizét. A csövek a nyomómedencénél végződnek, azok lezárására csapóajtók lettek beépítve, így üzemen kívül a víz innen sem tud beáramlani a nyomóvezetékbe. A vízlépcső általi duzzasztás további kedvező hatása még, hogy a szivattyúkat légtelenítés nélkül be lehet indítani mivel legalább az alsó turbina folyamatosan vízben áll. A Kiskörei-vízlépcső megépülte előtt, a Tisza alacsony vízállása és vízhozama miatt volt, hogy a 3 főszivattyú a tervezett 6 m 3/s helyett csupán 4,5 m3/s-os teljesítményre volt képes. Ekkor segédüzemi rendszert alakítottak ki Gazda I-II-III. szivattyúk alkalmazásával. 2003 tavaszán a 3. állásról leszerelték a motort, kiszedték a szivattyút és az eredeti csőrendszert és egy új, kisebb teljesítményű, zárt rendszerben működő búvárszivattyút építettek be. Erre a kapacitás jobb kielégítése végett (kisebb vízigények) volt szükség. Típusa ASD-AFL08 01.597 M 750/8-55, teljesítménye 75 KW, emelési magassága 9,81 m, 725-ös percenkénti fordulattal. Másodpercenként kb. 0,80-0,85 l vizet juttat az öntözőrendszerbe. A Tiszaörvényi vízkivételi mű eredetileg 6 m3/s-os beemelésre lett kiépítve. Ezt a teljesítményt már nem tudja szolgáltatni. A termelőszövetkezetek felszámolását követően nem jelentkeztek akkor igények, így a meglévő, kisebb vízigények költséghatékonyabb kielégítése miatt egy kisebb teljesítményű szivattyút szereltek be. A KÖTIVIZIG vízrajzi csoportja készült az öntözőrendszer bemérésére, de ez a kisebb vízigények miatt elmaradt, így sajnos nincs információm a főcsatornán részletesebb vízhozam adatokról, ami a pontosabb modellhez elengedhetetlen lett volna. A szivattyútelepet viszont sikerült bemérni, az eredmények a következők: Szivattyú sorszáma I. szivattyú II. szivattyú III. szivattyú
Típusa GANZ 2000 GANZ 2000 ASD-AFL08 01N
Vízhozama (m3/s) 2,04 2,18 0,852
10. sz. táblázat: A Tiszaörvényi vízkivételi mű vízhozam adatai (KÖTIVIZIG VMO)
27
A vízhozamok a Tiszafüredi vízmérce („0” pontja: 83,170 mBf.) 543 cm-es vízállásánál (88,60 mBf.), a Tisza-tó nyári üzemvízszintjén kerültek bemérésre ADCP segítségével. Ezekkel az értékekkel számolva a főcsatorna vízhozama maximálisan 5,07 m3/s lehet. A modellben három féle vízhozam adatsort lehet megadni: Steady (permanens) Quasi-unsteady (kvázi-nem permanens) Unsteady (nem permanens) Permanens (Steady) vízhozam adatok bevitele Ebben az esetben különböző szelvényekhez rendelhetünk vízhozam adatokat. Ezzel is ki lehet fejezni az esetleges vízelvételezéseket. A vízhozamok mellé megadhatunk alsó- és felső határfeltételeket. Alsó határfeltételnek a kereszteződéseket, felső határfeltételnek pedig a normál mélységeket (Normal depth) ami nem más, mint a vízfelszín esése (m/m). Nem permanens (Unsteady) vízhozam adatok bevitele Ennél az opciónál az adott vízfolyás szakaszra adhatunk meg alsó- és felső határfeltételeket, felső határfeltételnek vízhozam adatsort, alsó határfeltételnek pedig vízállás adatsort, vízfelszín esést stb. Betorkolló folyószakaszokon ugyanígy járunk el. A program automatikusan összeadja a bevitt vízhozamadatokat. A modell futtatását nem permanens (Unsteady) módban végeztem. Szükséges volt kezdő vízhozam adat megadása, ami az összes esetben 2 m3/s volt. Tudván a szivattyúk vízszállító képességét az alábbi vízhozamokkal futtattam le a modellt: Q1 (m3/s)
Q2 (m3/s)
Q3 (m3/s)
Q4 (m3/s)
Q5 (m3/s)
0,852
2,04
3,03
4,22
0,852-2,18
11. sz. táblázat: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modelljében futtatott vízhozamok
Az idősor egy fiktív, óránkénti vízhozam adatokat tartalmazó adatsor mivel ennek meghatározásához nem használtam fel gépüzemnaplókat, amik a pontos üzemadatokat tartalmazzák. A Tiszaörvényi szivattyútelepnek maximálisan 4 m3/s vízelvételezés van engedélyezve a vízjogi engedélyében.
28
17. sz. kép: Nem permanens vízhozam adatok (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
18. sz. kép: Vízhozam adatsor (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
29
19. sz. kép: Zsilipnyitási adatsor (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
Felső határfeltételnek vízhozam adatsort adtam meg, amiket fentebb már ismertettem. A modell sikeres futtatásához meg kell határozni a bögéző műtárgyak nyitás-zárás adatsorát. Arra kell ügyelni, hogy a zsilipparaméterekben megadott zsilipmagasságnál nagyobb nyitási értéket ne adjunk meg, mivel azt a program nem tudja értelmezni és hibaüzenetként jelezni fogja felénk, amikor futtatni szeretnénk a modellt. Azt követően, hogy megadtuk az összes adatot a modell készen áll, hogy futtassuk. Ezt az „Unsteady Flow Analysis” gombra kattintva az alábbi ablakon lévő „Compute”, magyarán számít gomb lenyomásával tehetjük meg.
20. sz. kép: Nem permanens vízhozam vizsgálata ablak (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
30
A sikeres futtatást követően ezt kell, hogy kapjuk:
21. sz. kép: Sikeresen lefuttatott modell (Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1D modellje)
(Források:KÖTIVIZIG Kiskörei Szakaszmérnökség: A Tiszafüredi öntözőrendszer vízjogi engedélye 2-3 o.; KÖTIVIZIG VMO: Ortofotók M=1:10000); KÖTIVIZIG VMO: 2013-as vízhozammérési adatok) EREDMÉNYEK KIÉRTÉKELÉSE A HEC-RAS modell kiértékelésben vízhozamonként külön-külön vizsgáltam a vízvezető medret, a zsilipeket és a bújtatókat, kitérve a modellezett vízhozamokhoz tartozó vízszintekre, a létrejövő leszívásokra, visszaduzzasztásokra, a kialakult sebességekre illetve a bögéző és keresztező műtárgyak esetében a levezetési képességre. A bögék különböző vízhozamokra lettek kiépítve. Szemléltetés képpen a nagyobb vízhozamok esetén kitérek az alsó, kisebb vízszállító képességre kiépített mederszakaszokra, mivel havária helyzetben ezek a bögék erősen túlterhelt állapotba kerülhetnek a rájuk zúduló többletvíz miatt. A legkisebb Q1 vízhozam lefuttatását követően megállapítható, hogy a vízszintek minden keresztszelvényben jóval a betonél alatt maradtak, ez a főcsatornába beengedett 0,852 m3/s mellett, amit a legkisebb teljesítményű III. szivattyú képes az öntöző-főcsatornába juttatni. A főcsatorna alsó szakaszán az erős benőttség miatt ez a majd 3 1 m /s jól láthatóan magasabb szinten vonul le, mint ahogy kellene. A csatorna itt 2,5 m3/s vízszállító képességgel bír, de ahogy a modellezésből kapott adatok mutatták a levonulási vízszint a 0+000 szelvényben 86,41 mBf. (tervezett fenékszint 85,63 mBf.), a víz sebessége 0,24 m/s. A burkolt szakaszon a sebességek valamivel e felett alakulnak, nagyjából 0,30 m/s körül. A műtárgyaknál megállapítható, hogy a vízelosztó zsilipek számottevő visszaduzzasztást nem okoznak, annak mértéke 0-0,8 cm között van, a legnagyobb 0,8 cm-es 31
visszaduzzasztást a III. zsilip produkálta. A műtárgyak tisztítása az utóbbi években elmaradt, a bújtatók és zsilipek közül a főcsatorna felmérése alatt alig volt szárazon néhány darab. Példaként megmutatom azok állapotát egy-egy fényképen.
22. sz. kép: Feliszapolódott VII. sz. bújtató (Saját fotó, 2013)
23. sz. kép: Feliszapolódott IV. sz. zsilip (Saját fotó, 2013)
A 22. sz. képen látható bújtató felszálló részének szájánál 10-15 cm üledék volt lerakódva. Itt maga a felszálló rész is erősen iszapolt, a rendszert itt a kis vízigények miatt a szállított 32
öntözővíz nem mossa át, így a műtárgyba jutott üledék nem mosódik ki a bújtató vízszintes részéből. A 23. sz. képen a rendszer IV. zsilipje látható, ez a műtárgy már több mint 15 éve nem üzemel, mivel az általa ellátott V. sz. mellékcsatorna lecsatolásra került. Üres állapotban ebben a rövid bögében a víz viszonylag gyorsan „szalad” mivel a műtárgy után egy 42 cm-es fenéklépcső van. A képen jól látható, hogy a vízvezető szelvény közepén a burkolat illetve a műtárgy küszöbje sincs iszappal elfedve. A műtárgy felett közvetlen lévő zsilipkamrában viszont a víz által szállított hordalék kiülepedett, a mellékcsatorna kiágazásánál kb. 30-40 cm vastag. Bújtatók esetében sem okozott gondot a vízhozam átvezetése a keresztezések alatt. Ennél a vízhozamnál egyik műtárgynál sem érte el a visszaduzzasztás szintje a maximálisan megengedett 5 cm-es határt, de egyes bújtatók esetében már ennél a csekély vízhozamnál is 1 cm feletti értékről beszélhetünk, egészen pontosan 2,67 cm maximális értékről! A bújtatók közül mindegyik el tudta szállítani ezt a vízhozamot, a kialakult vízsebességek a műtárgyak fel- és alvízi részein gyakorlatilag egyformák, csak századnyi eltéréseket jelentkeztek. A maximálisan kialakult vízsebesség ebben az esetben 0,57 m/s. Következőnek a Q2 vízhozammal lefuttatott modell eredményeit ismertetem. Ebben az esetben az I. szivattyú által szállított 2,04 m3/s-ot engedtem rá a főcsatornára. Ennél a vízhozamnál a főcsatorna alsóbb szakaszán a 6+910-8+334 cskm. és a 12+645-15+489 cskm. szelvények között a betonél felett tartózkodik a vízszint. E szakaszokon megtekintettem a részletesebb eredményeket. A programban van arra mód, hogy az eredményeket külön-külön megtekinthessük a vízvezető főmederre és a két oldali hullámtérre nézve. A modellezett térfogatáramnak szinte jelentéktelen része lépett ki a vízvezető mederből. A 12+645-15+489 cskm. szelvények között csupán 0,01 m3/s. Közvetlen elöntési veszélyt még így sem jelent, mivel a főcsatorna depóniáját meghágni képes vízszint nem alakult ki. A legnagyobb mértékben a 8+286-os szelvényben emelkedett a vízszint a betonél felé, ott 16,7 cm-rel. A kialakult vízsebességek a főmedren kívül nagyon alacsonyak, a maximális sebesség 0,06 m/s-al jelentkezett. A rendszer legvégén a 0+000 cskm.-től a 0+195 cskm. szelvényig a partél felett van a vízszint, de a depónián még itt sem folyik át, a maximális vízmélység a partél fölött 1 cm, a főmedren kívül lévő vízhozamot nem is számolta a program annyira minimális. A problémás helyek kivétel nélkül a legkisebb vízszállító képességre kiépített csatornaszakaszon vannak. A vízszállító képesség romlása ezen a szakaszon majdnem 0,5 m3/s. A szállított vízmennyiség 0,35-0,45 m/s közötti sebességgel halad a mederben, a legkritikusabb, alsó szakaszon a 3+218 szelvénytől lefelé átlagosan 0,32 m/s. A 0+000 cskm. szelvényben a levonulási vízszint 86,91 mBf. (tervezett fenékszint 85,63 mBf.), a víz sebessége 0,30 m/s. A műtárgyak környezetében a felvízi duzzasztások némileg növekedtek, ennek ellenére a modellezett vízhozamot mindegyik műtárgy el tudta vezetni. A bújtatók tekintetében 1,83-6,36 cm közötti értékekről beszélünk. A legnagyobb duzzasztási értékkel az V.; VI. és VII. számú bújtatók rendelkeznek. A duzzasztás mértéke mellett a műtárgyban kialakult vízsebességek is remekül visszaadják, hogy ezek a bújtatók a legkisebb keresztmetszetűek és rendeltetésük szerint a főcsatorna legkisebb vízhozamát kell zavartalanul elszállítaniuk. Ebben a három műtárgyban nagyjából 0,15 m/s-al nagyobb vízsebességek alakultak ki, mint a másik 4 bújtatóban. A zsilipeket nézve az al-és felvíz közötti vízszintkülönbségek valamelyest emelkedtek, de az csak egy esetben, a III. zsilipnél haladta meg csekély mértékben az 1 cm-t.
33
A Q3-al lefuttatott modellben szimulált vízhozam az I. és III. számú szivattyú együttes üzemelés mellett állítható elő. E vízhozam már meghaladja a III. zsilip alatti főcsatorna szakasz tervezett vízszállító képességét. A víz az alábbi cskm. szelvények között hagyta el a medret, és tartózkodik a betonél felett: 0+000-3+218, 5+993-8+335, 9+825-10+713, 12+175-15+492, 16+849-19+812, 20+119-20+804, a 25+599-30+959, 34+470-34+848. Egyes szakaszokon a víz a felmért depónialáb magasságát már meghaladta, így a főcsatorna járóútját és a környező ingatlanokat itt elöntéssel fenyegetheti: 0+000-0+385, 10+406-10+697, 14+053-15+489, 20+791-20+804 cskm. szelvények között és a 28+877 cskm.-ben. A 0+000 cskm. szelvényben a levonulási vízszint 87,17 mBf. (tervezett fenékszint 85,63 mBf.), e vízszinthez tartozó vízsebesség 0,35 m/s. Az I.-II. és III. számú bújtatók felvízi duzzasztása valamelyest nőtt az előző szimulációban számoltakhoz képest, de még így is az 5 cm-es tűréshatáron belül maradt, egészen pontosan 2,44-4,24 cm között. A IV. számú bújtató esetében az alvízszint 1,37 cm-el magasabban tartózkodott, mint a felvíz szintje. Az I.-II. és V. számú zsilipeknél a vízszint meghaladta a műtárgy elzáró redőnyeinek magasságát. A III. zsilipnél 1,37 cm duzzasztás jelentkezett, még a IV. számúnál nem tapasztalható különbség az al-és felvíz között. A víz a legnagyobb mennyiségben a 15+461 cskm. szelvényben hagyta el vízvezető medret. Itt összesen a teljes vízhozam 1,11 %-a egészen pontosan 0,04 m3/s. E mennyiséghez 28 cm-es vízmélység és 0,12 m/s vízsebesség tartozott. A mederben a vízmozgás sebessége 0,27-0,64 m/s között van. A bújtatóknál 0,74-0,97 m/s-os vízsebességek kapcsolódnak a szállított 3,03 m3/s-hoz. A Q4, utolsó permanens vízhozammal lefuttatott szimuláció az I. és II. gép együttes működése esetén állítható elő. E vízhozam már meghaladja a rendszer számára a vízjogi engedélyében megszabott maximális 4 m3/s vízelvételezést. Ahogy az imént bemutattam, már a Q3 vízhozam mellett is igen komoly gondok jelentkeztek. Ahogyan az várható volt, a Q4 vízhozam mellett ezek csak tovább fokozódtak, sokkal hosszabb csatornaszakaszon jelentkezett nagyon magas üzemvízszint ami csupán az alábbi cskm. szelvények között maradt a tervezett burkolat éle alatt: 3+273-4+115, 4+546-5+076, 8+360-8+372, 10+758-11+263, 15+847-15+860, 19+832-20+501, 21+224-23+429. A következő cskm. szelvények között már a betonélt is meghaladta a vízszint: 3+255-5+993, 8+360-8+663, 10+758-11+706, 15+487-19+302, 19+832-20+791, 21+224-27+868, 30+97832+894, 36+605-36+564. A fennmaradó csatornaszakaszokon a felmért keresztszelvényeket meghaladó vízszintek jelentkeztek: 0+000-3+255, 5+993-8+360, 8+663-10+758, 11+706-15+487, 19+302-19+832, 20+791-21+224, 27+868-30+978, 32+894-36+605. A 0+000 cskm. szelvényben a levonulási vízszint 87,44 mBf. (tervezett fenékszint 85,63 mBf.) a vízsebesség 0,39 m/s. A kilépett víz a 15+461 cskm. szelvényben érte el a legnagyobb mélységet 56 cm-rel. A főmederből ebben a szelvényben összesen 0,11 m3/s-os vízhozam távozott. A teljes vízhozam 2,5 % a főmedren kívül mozog 0,16 m/s maximális sebességgel. A mederben kialakult vízsebességek 0,33-0,64 m/s közötti értékekben jelentkeznek. A bújtatókban végighaladó víz a műtárgyakban átlagosan 1,0 m/s sebességgel mozog. A műtárgyak duzzasztását tekintve az értékek természetesen most is növekedtek, több helyen meghaladván az 5 cm-es maximális értéket. Az al-és felvízszintek különbsége az I.-II.-III. számú bújtatók tekintetében 0-6 cm
34
közöttiek. Az I., II., és V. számú zsilipnél a maximális elzárási szintet meghaladó vízállások léptek fel. A III. és IV. zsilipnél mérhető értékek voltak, a III. számú zsilipnél 1,42 cm míg a IV. számú zsilipnél nincs különbség. A Q5 változó vízhozamú szimulációban a főcsatorna üzemelésében leggyakrabban használt szivattyúkat üzemeltettem felváltva. A szimuláció során 0,852-2,18 m3/s vízhozamokat engedtem be a főcsatornába. A modell ebben az esetben is lefutott, problémát nem tapasztaltam.
Tiszaörs, 2014. augusztus 22.
Készítette:
Richter József
vízgazdálkodási ügyintéző KÖTIVIZIG Kiskörei Szakaszmérnökség
35
IRODALOMJEGYZÉK Vízgyűjtőgazdálkodási terv, 2-18 Nagykunság tervezési alegység kiegészítő anyag: A tiszafüredi-kunhegyesi sík 191-195. o., KvVM KÖTIVIZIG VMVO-KÖTIVIZIG Kiskörei Szakaszmérnökség: A Tiszafüredi öntözőrendszer vízmérlegei 1990-2013 A Tiszafüredi öntözőrendszer főműveinek Üzemeltetési Szabályzata (1987) Pálfai Imre: Aszályos évek az Alföldön 1931-2010 között (www.geo.u-szeged.hu) Dr. Konecsny Károly (2010): A víz, mint erőforrás és kockázat (www.tankonyvtar.hu) VITUKI-Vízrajzi évkönyvek 1990-2006;KÖTIVIZIG Vízrajzi adatgyűjtemények 1990-2006) Vízgyűjtőgazdálkodási terv (2010): 2-18 Nagykunság tervezési alegység 1-1 melléklet: vízfolyás referencia jellemzők 17. típus-Síkvidéki-meszes-közepes-finom-közepes és kis esésű vízgyűjtő 1-3. o.; 1-3 melléklet: Vízfolyások víztest jellemzése-Tiszafüredi öntöző-főcsatorna 1-13. o.; KvVM, www.vizeink.hu) www.hec.usace.army.mil KÖTIVIZIG VMVO: A Tiszafüredi öntöző-főcsatorna hossz-szelvénye KÖTIVIZIG VMO: Ortofotók M=1:10000 Kéri Barbara (2010): BME Vízépítési segédlet Dr. Hamvas Ferenc előadásai alapján 12-13. o. www. vit.bme.hu) KÖTIVIZIG Kiskörei Szakaszmérnökség: A Tiszafüredi öntözőrendszer vízjogi engedélye 2-3 o.; KÖTIVIZIG VMO: 2013-as vízhozammérési adatok.
36
