BME Építőmérnöki Kar TDK Konferencia 2008
Szigetközi kisvízi mederrehabilitáció árvízlevezetésre gyakorolt hatásai
Készítette: Torma Péter
Konzulensek: Dr. Krámer Tamás Dr. Józsa János Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
Tartalomjegyzék
Bevezetés ................................................................................................................................... 3 Szigetköz kialakulása és jelenlegi állapota............................................................................. 4 Kisvízi mederrehabilitációs változatok .................................................................................. 5 Mederfeltöltéses változat........................................................................................................ 6 Mederrehabilitáció árvízlevezetésre gyakorolt hatásai .......................................................... 6 Numerikus modellvizsgálat ..................................................................................................... 6 A kétdimenziós modell áttekintése ........................................................................................ 7 Matematikai modell............................................................................................................ 7 Numerikus megoldás .......................................................................................................... 8 Modellezett folyószakasz ....................................................................................................... 9 Mederfeltöltés implementálása a modellbe............................................................................ 9 Domborzati modell kialakítása............................................................................................. 11 Attribútum-mező és rácsháló ............................................................................................... 15 Modellfuttatás eredménye és értékelése............................................................................... 16 Észrevételek, megjegyzések ................................................................................................... 19 Összefoglalás ........................................................................................................................... 20 Hivatkozások........................................................................................................................... 21
2
Bevezetés A szigetközi Duna-szakasz igen összetett, a főághoz kiterjedt mellékágrendszer és szabdalt hullámtér kapcsolódik mind a jobb, mind a bal parton. Ez változatosság kiváló lehetőséget biztosított vízi és vízközeli ökoszisztémák kialakulásához, ami hatására a Szigetköz jelentős természeti értékeket képvisel napjainkra. Miután a bősi erőművet üzembe helyezték, a főmeder kis- és középvízszintjei jelentősen lecsökkentek,
ami
a
mellékágrendszer
vízellátottságát
megszüntette.
Az
emberi
beavatkozások hatására a folyó hordalékszállítása is jelentősen megváltozott, ami a Szigetközben a meder berágódását eredményezi, tovább csökkentve ezzel a kisvízi vízszinteket. Az elterelés óta az Öreg-Duna és a mellékágrendszer közti közvetlen kapcsolat gyakorlatilag megszűnt. A jó ökológiai állapot helyreállítása érdekében különböző rehabilitációs változatokat dolgoztak ki arra, hogyan lehetne a kis- és középvízi vízszinteket megnövelni és a folyó-mellékágrendszer kapcsolatot újra megteremteni. Ezen tervváltozatok egyike a WWF által javasolt mederfeltöltés. A meder fenékszintjének felemelése magával hozná a vízszintek emelkedését is és ezzel a mellékágak Öreg-Dunától való lezárása megszüntethető lenne. Egy ilyen beavatkozásnak természetesen komoly hatása lenne nemcsak a kis és középvízi, de a nagyvízi időszakokban is a hullámtér áramlási viszonyaira. Árvízvédelmi szempontból fontos ismernünk, hogy a terv megvalósulása esetén hogyan változnának az árvízszintek, különösen a töltések mentén. A Duna szigetközi szakaszára az elmúlt években készültek numerikus modellkísérletek az árvízi viszonyok felderítésére. A Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék által felállított kétdimenziós modell segítségével végzem el a mederfeltöltéses tervváltozat árvízlevezetőképességre gyakorolt hatásait. A dolgozatban bemutatom a modellt, a munka során kialakított új medergeometriát, annak beépítését a modellbe, majd értékelem a számított eredményeket. A dolgozat zárásaként pedig ismertetem a tervváltozattal és annak hatásaival kapcsolatos észrevételeim és megjegyzéseim.
3
Szigetköz kialakulása és jelenlegi állapota A Szigetköz és Csallóköz a Duna hordalékkúpján kialakult szigetvilág. A folyó itt a nagyesésű hegyvidékről a síkságra ér, ahol a kis esés hatására folyása lelassul, hordalékmozgató képessége töredékére csökken. Ennek következtében a hegyvidékről érkező kavicsot lerakja, ami az évezredek alatt több száz méteres kavicsréteg kialakulásához vezetett. Az 1886-os esztendőig a létrejött hordalékkúp természetes módon, folyamatosan változott. Ez a változékonyság ezután az árvízi elöntések veszélyforrása és a hajózhatóság bizonytalansága miatt drasztikus keretet kapott. Az ágrendszer közepén egy mesterséges hajózó utat jelöltek ki, sarkantyúkat, partvédő műveket építettek ki, valamint a szigetvilág mindkét oldali peremén töltést emeltek. A beavatkozásoknak köszönhetően a mellékágrendszer intenzív feltöltődésbe kezdett. Az 1960-as években fokozott mederkotrásokat végeztek, amik az ágvéglezárásokkal együtt tovább rontották a mellékágak vízellátását. A Duna felső (németországi és ausztriai) szakaszának folyamatos lépcsőzése további problémákat okozott. Az emberi beavatkozások (vízlépcsők megépítése) megbontották a folyó hordalékmozgató egyensúlyát. A folyó vízfelszínének esése és a sebessége csökkent, ezzel egyre kevesebb hordalékot szállít lefelé. Ez még a felső szakaszokon is berágódásokhoz vezetett, aminek mérséklésére a felvízi országok a határaikon belül az alvízi szakaszokról kikotorják a kavicsot és azt visszajuttatják a berágódásokba. Mindezek következtében a Duna magyarországi szakaszára érkező hordalékmennyiség töredékére csökkent. A főmeder fenékszintje süllyedni kezdett, csökkentve ezzel a kis és középvízi szinteket. A bősi erőmű üzembehelyezésével az Öreg-Duna medrébe érkező vízhozam a korábbi töredéke. A Duna elterelésekor a főmeder vízszintje méterekkel lecsökkent, aminek következtében a főmedernél magasabb mellékágrendszerbe nem tud behatolni a víz. Ennek eredményeképp jelenleg a bal és jobb oldali hullámtéri ágrendszer elkülönül az Öregmedertől, az ágrendszer és a főmeder közti természetes kapcsolat gyakorlatilag megszűnt, csak az árvizek során áll időlegesen helyre. A mellékágak vízellátása a főmederből mesterségesen történik (hullámtéri vízpótló rendszer). Dunakiliti felett töltőbukókon keresztül történik a szabályozott vízkivétel a főmederből. A mellékágrendszerben áglezárásokat és bukókat létesítettek, amik segítségével a vizet végigvezetik a főmederrel párhuzamosan, és biztosítják az ökológiailag szükséges vízszinteket. Ennek a vízpótló rendszernek a megtervezése és üzemeltetése nagyban támaszkodik egydimenziós áramlásmodellezésre. 4
Az 1992. októberétől két évig tartó vízhiány sok kárt okozott a környezetben, többek közt több állatfaj teljesen eltűnt. Az időközben kivitelezett ideiglenes vízpótló rendszer javította a terület vízellátottságát, azonban megnyugtató megoldást nem eredményezett. A mellékágak vízszintjét sikerült ugyan felduzzasztani de a Szigetköz alsó szakaszán a talajvízszint meredek zuhanást mutat, és ez a partközeli erdők pusztulását eredményezi. A vízpótló-rendszer biztosít ugyan egy relatív magas talajvízszintet, azonban a kisebb árvizek elmaradását nem pótolja. Az árvizek döntő szerepet játszanak az árterek ökológiájában, mivel a vízborítást nem tűrő növények nem, vagy csak ideiglenesen tudtak megjelenni természetes vízjárás esetén. Az ideiglenes elöntések elmaradásával azonban megjelentek olyan növények is a hullámtérben, amelyek életfeltételei azelőtt nem voltak biztosítva. A vízpótló-rendszer elemeiként megépített áglezárások továbbá megszűntették a kapcsolatot a főmederrel, egyúttal megszüntetve a terület hosszirányú ökológiai átjárhatóságát is. Csupán két helyen biztosított az átjárhatóság: a töltőbukókon Dunakiliti felett illetve a Denkpálnál épült hallépcsőn keresztül. Az azonban kétes, hogy a fauna ezeket a kívánt mértékben igénybe tudja-e venni. Elmondható tehát, hogy ezen az értékes vízi élőhelyen gyakorlatilag megszűnt a terület élővilágának folytonossága.
Kisvízi mederrehabilitációs változatok A vízi és vízközeli ökoszisztémák jó ökológiai állapotának visszaállítása és megőrzése érdekében különböző rehabilitációs változatokat dolgoztak ki arra, hogy hogyan lehetne a kisés középvízi vízszinteket megnövelni és a folyó-mellékágrendszer kapcsolatot újra megteremteni. A javasolt változatok a következőképp foglalhatók össze: - három fenékküszöb építése a főmederben, - sűrű fenéklépcsőzés a főmederben és az összes mellékág aktivizálása, - a főmeder meandereztetése a teljes hullámtér szélességében, - a meder mélyebb részeinek feltöltése és egységes fenékszint kialakítása. A jelen TDK dolgozatban a legutolsó, mederfeltöltéssel járó beavatkozási változatot vizsgálom.
5
Mederfeltöltéses változat A mederfeltöltéses változat esetén olyan mederviszonyok kialakítása a cél, amelyek mellett a jelenlegi vízhozamok esetén is biztosíthatók lennének az 1950-es évek vízjárás-viszonyai (ezt az időszakot fogadjuk el tehát referenciaállapotnak). Ehhez két eljárás kombinációját javasolják. Egyrészről a jelenlegi meder beszűkítését, amely visszaduzzasztó hatásával biztosítaná a megfelelő vízszintek kialakulását, illetve a meder fenékszintjének a felemelését. Valószínűsíthető, hogy ez utóbbi esetében a medret az 1950-es évek jellemző fenékszintjeinél magasabb szintre szükséges emelni. A mederfeltöltés és szűkítés mértékéről a tanulmányok alapján nem áll rendelkezésünkre pontos információ. Kiindulási alapot a referenciaidőszak kis és közepes vízszintjei adtak a végzett vizsgálatok folyamán. Ha egységesen kerül a meder feltöltésre, akkor a jelenlegi állapotnak megfelelően hozzávetőleg 4 m-es feltöltést kell készíteni a mederben ahhoz, hogy a vízszinteket az 50-es éveket reprezentáló szintekre hozzuk.
Mederrehabilitáció árvízlevezetésre gyakorolt hatásai Az elterelés óta a főmeder vízszintsüllyedésének hatására a korábbi kavicszátonyokat a növényzet teljesen belepte, sűrű erdők alakultak ki rajtuk. A növényi ellenállás megváltozása továbbá a mellékágrendszer feltöltődése az árvizek levonulására negatív hatással vannak, gátolják azokat. Az elmúlt évek tapasztalatai, a kisminta kísérletek továbbá a numerikus modellvizsgálatok (BME VVT, 2005; Torma, 2007) megmutatták, hogy a hullámtér a nagy vízszintes kiterjedése ellenére csak korlátozott mértékben vesz részt az árhullámok levezetésében. Miután az említett tervváltozat a főmedret komolyan megváltoztatja, hatására az árvízszintek növekedése és a főmeder közelében az áramlási viszonyok megváltozása várható, amiket feltétlenül ismernünk szükséges az egyes tervváltozatok összehasonlításához. A
mederfeltöltés
ilyen
irányú
hatásainak
felderítésére
kétdimenziós
numerikus
modellvizsgálatot végeztem, amelyet a következőkben ismertetek.
Numerikus modellvizsgálat Az
Észak-Dunántúli
Környezetvédelmi
és
Vízügyi
Igazgatóság
(ÉDUKÖVIZIG)
„Árvízlevezetőképesség vizsgálata a Duna régi medrének szlovák-magyar szakaszán” projektjének keretében kétdimenziós numerikus modellt állítottak fel a szigetközi szakasz árvízi viszonyainak a vizsgálatára. A kutatást a Műegyetem Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén folytatták le a közelmúltban (BME VVT, 2005). Az említett modell az akkori 6
hullámtéri állapotra és domborzati viszonyokra készült el. Jelen munkában abból a modellből kiindulva a geometria megváltozásával kialakítom a tervváltozatban említett mederfeltöltést és vizsgálom annak hatását a hullámtér hidraulikai viszonyaira.
A kétdimenziós modell áttekintése Matematikai modell A vízmozgást a sekélyvízi áramlások ún. Reynolds-időátlagolt differenciál-egyenleteivel közelítik. Ezekben ismeretlenként a vízmélység továbbá a vízszintes függély-középsebesség két, egymásra merőleges komponense szerepel. Az egyenletek a térfogat- illetve az impulzusmegmaradást fejezik ki, permanens állapot esetén pedig a következő alakot öltik (Abbott 1979):
ahol τb jelenti a fenékcsúsztató feszültséget, amelyet a Manning-féle képlettel számítunk. Ez kétdimenziós vízmozgás esetén x és y irányban az alábbi:
Az egyenletekben használt jelölések: x, y = Descartes-féle vízszintes síkkoordináták; h = vízmélység; u, v = a függélyközépsebesség x- ill. y-irányú vetülete; zb = terepszint; g = nehézségi gyorsulás; νe,H = effektív vízszintes (kinematikus) örvényviszkozitási együttható; τbx, τby = a fenék-csúsztatófeszültség x- ill. y-irányú vetülete; ρ = víz sűrűsége; k = Manning-féle medersimasági együttható.
7
A modell eltekint a Coriolis-erőtől, mivel hatása az adott léptékben elhanyagolható. Továbbá a sebesség függély menti eloszlását egyenletesnek feltételezi, amely közelítés nagyvízi erősen turbulens állapotok esetén megengedhető, valamint eltekint a szél áramláskeltő hatásától.
Numerikus megoldás Az alapegyenletek numerikus megoldása a végeselem-elvű RMA2 modellel történt (Donnell et al. 2001). A megoldót elfogadottan használják a folyami hidraulikában. Az áramlási tartományt lefedő számítási rácsháló szabálytalan háromszög és négyszögelemekből állhat, amelyek elemenként hat, illetve nyolc csomópontot tartalmaznak (1. ábra). A csomópontok az elemek csúcsain és oldalfelezőiken helyezkednek el. Ezekben a csomópontokban számítja a modell a keresett állapotváltozókat (sebességkomponensek, vízmélység).
1. ábra: A rácsháló elemtípusai
Az RMA2 modell az alapegyenleteket az ún. Galjorkin-módszerrel oldja meg (pl. Páczelt 1999). A Newton-Raphson iteratív módszerrel linearizált egyenletrendszer együtthatómátrixát frontális eljárással faktorizálja. A modell peremfeltételeit tekintve, a befolyási szelvényekben vízhozam, a kifolyási szelvényben vízszintet írunk elő. Miután a befolyás esetén a sebességeloszlást nem ismerjük, ezért a Q vízhozamot a vízmélységgel arányosan osztjuk el. A terület határait töltések és magaspartok határolják. Ezek meghágását nem engedjük meg, ezért a modellben ezeken a peremszakaszokon azokra merőlegesen nulla sebességet írunk elő. Kezdeti feltételként nyugalmi víztestet adunk meg úgy, elegendően magas vízszinttel ahhoz, hogy a teljes terület vízborított legyen. Kezdetben a sebességmező zérus. A szimuláció folyamán egyes cellák szárazra kerülhetnek. A stabilitás érdekében már azokat a cellákat is száraznak tekintjük, amelyekben a vízmélység nem éri el az általunk megadott alacsony küszöbértéket (hküszöb=0,3 m).
8
Modellezett folyószakasz A modell a Duna 1848 (Dunakiliti) és 1806 (Medve) fkm közötti árvízvédelmi töltésekkel határolt szakaszát foglalja magába. A terület helyszínrajzát az alábbi 2. ábra mutatja.
2. ábra: A terület helyszínrajza a modellben előírt peremfeltételekkel
Mederfeltöltés implementálása a modellbe Ahogy azt már korábban említettem, a mederrehabilitációs változatok közül jelen munka során a (WWF által javasolt) mederfeltöltést vizsgálom. A feltöltés hatásainak elemzéséhez a főmeder egy jellemző 10 km-es szakaszát választottam ki. A teljes hosszon való beépítés túlságosan munkaigényes lett volna, és a vizsgálat céljának elérése érdekében elegendő volt az árvízlevezetésre gyakorolt hatásoknak egy rövidebb szakaszon való kimutatása, továbbá a
9
tanulmányok szerint sem tervezik a teljes szakasz feltöltését. A vizsgálat az 1835 és 1825 fkm közötti szakaszra terjed ki. A mederfeltöltés egy részről az elbontandó gátak és a Dunakiliti tározó területéről, továbbá a főmederben létrejött zátonyokból és a parti menti területekről kinyert anyagból történne. Utóbbival az építési költségek csökkenthetők, továbbá az árvízlevezetésre gyakorolt hatása is valószínűleg kedvező, miután jelenleg a főmeder és környezete játssza a legfontosabb szerepet az árvízi-levezetésében. Emiatt az új geometria úgy került kialakításra, hogy a mederfeltöltésen túl a parti sávok felszínét lecsökkentettem olyan mértékben, hogy a meder mélysége biztosítani tudja a természetes vízjátékot anélkül, hogy a víz ideje korán kilépne a hullámtérre. A parti menti kitermelések helyszíneit a 3. ábra mutatja.
3. ábra: A betöltött föld kitermelési helyei
Ha egységesen kerül a meder feltöltésre, akkor az 1950-es évek vízszintjeinek eléréséhez átlagosan körülbelül 4 m-es fenékszint-emelést kell létrehozni. Az átlagos víztükörszélesség ezen a szakaszon 250 m. A geometria modellben való kialakításához első lépésben ezen elvek alapján megterveztem egy új hossz-szelvényt. A szükséges mederesést az érintett 10 km-es szakasz átlagos esésével tettem egyenlővé. A hossz-szelvényeket az RMA2 modellből írattam ki. Az új mederesés 10
értékét S = 0,00026 m/m-ben határoztam meg. Az eredeti modell és a tervezett hosszszelvényt 4. ábra mutatja. Ezen az ábrán a partélek minimális burkológörbéje a bal és a jobb part közül az alacsonyabbnak a szintjét mutatja.
120.40 120
119.70
118.40
119.80 119.50
119.40
118.40 118.00
118 117.50
117.20 116.70
mBf
116
114
113.74
114
114.26
114.52
114.78
115.04
115.3
115.56
116.08
115.82
116.34
114.23 113.37 112.79
112.51
112.34
112.16
112 111.61
112.29
112.09
111.82
110.12
110 1824
1826
1828
1830
1832
1834
1836
fkm Eredeti hossz-szelvény
Partél_min_burkoló
Tervezett hossz-szelvény
4. ábra: A modell eredeti és tervezett hossz-szelvény a partélek minimális burkológörbéjével
Mindezek ismeretében megkezdtem a geometria implementálását a modellbe.
Domborzati modell kialakítása A rendelkezésemre álló terepmodell kialakítását úgy végezték, hogy a geodéziai adatokat feldolgozva az alappontokat háromszögelték, majd a háromszögeken belül lineáris interpolációval egy 5 m-es szabályos rácsháló csomópontjaiba vetítették a felszín magasságát (5. ábra).
11
5. ábra: A rendelkezésre álló geodéziai alappontok és a domborzati modell árnyékolt megjelenítése a feltöltendő szakaszon
Az új geometria kialakításakor ugyanezt a folyamatot végeztem el, azzal a különbséggel, hogy nem álltak rendelkezésemre geodéziai alappontok. Azokat a tervezési elvek szerint nekem kellett létrehoznom a teljes 10 km-es szakaszra úgy, hogy azokat a modellbe helyezve, háromszögelve majd a rácshálóra vetítve a kívánt mederalak jöjjön létre. A 10 km-es szakaszt további kilométeres részekre osztottam a geometria kialakításánál. Ezen egységek új geometriáját külön-külön hoztam létre. Az eredeti modellben megfelelő sűrűséggel keresztszelvényeket vettem fel az adott egység mederalakjának megismeréséhez. A magassági viszonyok területi eloszlását a domborzati modell szintvonalas térképe jól szemléltette. A terület jellegének ismeretében kijelölhetővé vált az a parti menti sáv is, ahonnan lehetséges a földkitermelés. Ez a parttélektől maximálisan 250 m-es távolságra terjed ki (3. ábra). Ez az a távolság, ahonnan még a kitermelés gazdaságossá tehető és nem érinti túl nagy mértékben a hullámtér élőhelyeit. A terepmodellből ezek után kivágtam azokat a rácspontokat, amelyek a medret és annak környezetét írták le. A pontokat áthelyeztem AutoCAD-be. A tervezett hossz-szelvénynek köszönhetően a fenékszintek rendelkezésemre álltak. Eltávolítottam azokat a rácspontokat, amelyek az új szint alatt álltak és létrehoztam megfelelő sűrűséggel az új magassággal rendelkező geodéziai alappontokat. A part menti sávokat lecsökkentettem hasonló módon a partélek szintjére, biztosítva egy 3 m-es minimális medermélységet. Az eredeti és új keresztszelvények összehasonlítására a 6. ábra mutat példát.
12
1835
1832
122
121
121
120
120 119
119 118
mBf
m Bf
118 117
117 116
116
115
114
eredeti
115
eredeti
új
114
új
113 -250
113
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-250
-200
-150
-100
-50
távolság (m)
0
50
100
150
200
250
távolság (m)
1826 1830 119
120
118 119
117 118
116 115 mBf
mBf
117
116
114 113
115
112
eredeti
114 eredeti
111
új
110
új 113
112 -250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
109 -250
-200
-150
-100
távolság (m)
-50
0
50
100
150
200
250
távolság (m)
6. ábra: Eredeti és új keresztszelvények négy különböző szelvényben (A felső címkék az fkm szelvénytávolságra utalnak)
Az új alappont-sereget ezután visszahelyeztem a modellbe. Az új pontokat háromszögeltem és ezzel előállítottam a tervváltozatnak megfelelő domborzatot. A terepmodellt ezek után a szükséges helyeken manuálisan finomítottam. Ez elsősorban a partélek környezetében volt szükséges, ahol az automatikus háromszögelés nem a kívánt alappontokat kötötte össze. A domborzat megváltozását az eredetihez képest a 7. ábra ismerteti.
13
7. ábra: A terepszint megváltozása a mederfeltöltés és a part menti kitermelés hatására
Miután a 10 km-es szakaszt domborzati viszonyok változatossága miatt nem lehetett egységesen megváltoztatni, ezért kellett 1 km-es rész-szakaszokra felbontani. Figyelni kellett, hogy ezek a rövidebb egységek jól csatlakozzanak egymáshoz. Az új domborzat egy részletét 8. ábra mutatja.
8. ábra: Az létrehozott terepmodell egy részletének szintvonalas ábrázolása (a színskálával csak a szintkülönbségeket kívántam érzékeltetni)
14
Attribútum-mező és rácsháló Miután az energiaveszteséget a Manning-féle összefüggés alapján számítjuk, szükséges megadni a simasági viszonyok eloszlását. Az eredeti modellben öt simasági osztály lett létrehozva: meder, erdő, nyílt terület, zátonyos parti sáv és bukó (9. ábra és 10. ábra). Ortofotók és a Google Maps űrfelvételei segítségével ezek a mezők jól elkülöníthetőek voltak. A mederfeltöltés során szükséges morfológiai változtatások az attribútum-mezőre is hatással vannak. A parti menti zátonyok valószínűleg kisvizek idején is víz alá kerülnének, megszüntetve az ottani növényzet elburjánzását, aminek következtében visszanyernék az elterelés előtti simasági viszonyaikat. Emiatt a parti sávok simasági együtthatójának értékét (kparti sáv=20 m1/3/s) a meder simasági értékére növeltem (kmeder=40 m1/3/s).
9. ábra: A modell attribútum-mezője Dunaremete térségében
A rácsháló úgy lett kialakítva, hogy az elemeknek lehetőleg legyenek párhuzamos oldalai a karakterisztikus terepvonulatokkal és az attribútum-határokkal. Az eredeti modellben a főágat 100 x 40 m-es téglalap elemekkel fedték le, míg a mellékágakban ennél nyújtottabb elemeket alkalmaztak. A bukókat külön fedték le, egy-egy cellasorral, és magasságuk manuálisan lett megadva. A hullámtér 100-150 m oldalhosszúságú háromszögekből épül fel. Miután a parti menti sávok és a főmeder geometriájának pontos leképezésére volt szükség az új alappontok létrehozásához, ezért itt a rácsháló felbontását az eredetihez képest megnöveltem.
15
Modellfuttatás eredménye és értékelése A modellfuttatások a 2002. augusztusi árhullám adataival történtek. Ez az árvíz okozta a Szigetközben eddig valaha mért legmagasabb vízszinteket. Az árhullám tetőzése idején a jobb oldali töltés mellett történtek a vízszintrögzítések 500 méterenként. A permanens futtatás folyamán a modell befolyási szelvényeinél (Rajka és bősi üzemvízcsatorna) az árvíz során érkező legnagyobb vízhozamot írtuk elő, míg a kifolyásnál (Medve) a tetőzéskori vízszintet (10. ábra).
10. ábra: A szimuláció peremfeltételei és simasági együtthatói
A modellt a 2005-ös tanulmányban az említett árvízre kalibrálták, majd a 2002. márciusi árvízre igazolták. A következőkben a mederfeltöltés okozta változásokat mutatom be. A fajlagos vízhozamok alakulását a 11. ábra mutatja.
16
11. ábra: A modell által számított fajlagos vízhozam eloszlása a feltöltött szakaszon
A jelenlegi állapot és mederfeltöltéses változat közötti fajlagos vízhozambeli eltérést a 12. ábra mutatja. Jól látható, hogy a betöltés hatására a főmeder vízszállítása 0,5 – 5 m2/s-mal csökkent a kanyarviszonyoktól függően. A kisebb mértékű csökkenés a kanyarok belső oldalán jelentkezett. Ebből egyúttal közelítően meghatározható, hogy melyek lesznek a főmedernek azok a részei, ahol a meder újbóli süllyedése, berágódása várható. Továbbá megállapítható, hogy a meder mentén történt kitermelések következtében lesüllyedt felszín hatására, azok vízszállítása hozzávetőleg 2 - 4 m2/s-mal megnőtt. A mellékágrendszert nem érinti jelentősen a változtatás, csupán az Öreg-meder közelében húzódó ágakban figyelhető meg 0,5 – 1 m2/s-os fajlagos vízhozam-növekedés.
17
12. ábra: A jelenlegi és a tervezett állapot közti eltérés a fajlagos vízhozam tekintetében
Ami a vízszinteket illeti, a vártnál kedvezőbb eredményeket hozott a szimuláció. A feltöltés hatására a tetőző vízszintek emelkedése a töltés mentén nem éri el a 15 cm-t. A töltés menti vízszint megváltozását a 13. ábra, míg a vízfelszín alakulását a hullámtéren a 14. ábra mutatja. 0.15 Q_aug, m-feltöltés
0.1
m
0.05 0 -0.05 -0.1 10+000
15+000
20+000
25+000
30+000
35+000
40+000
45+000
50+000
55+000
tkm
13. ábra: A mederfeltöltés hatására kialakuló tetőző vízszintek változása a jelenlegi helyzethez képest a töltés mentén
18
14. ábra: A vízfelszín becsült megváltozása a mederfeltöltés hatására
Összességében tehát elmondható, hogy a mederfeltöltés hatása a szakasz árvízi viszonyait nem változtatja meg drasztikusan és a tetőző vízszintek sem növekednek meg jelentősen. A feltöltés miatt a főmeder árvízlevezető képessége kis mértékben csökken, a beavatkozás során megnyitott part menti sávok képesek annak ellensúlyozására.
Észrevételek, megjegyzések Ahogy már korábban említettem, a mederfeltöltéséhez szükséges anyag egy részét a tervek szerint a hullámtérből, a parti menti sávokból termelnék ki. A kitermelhető mennyiségek meghatározására közelítő számítást végeztem. A számítást 1 km-es folyószakaszokra végeztem, majd a kapott értékeket összegeztem. Kilométerenként 5-7 keresztszelvény felvételével és azok átlagolásával mind az eredeti modellben, mind az új geometria esetén számolható volt a feltöltéshez szükséges kavicsmennyiség térfogata. A vizsgált 10 km-es szakasz feltöltésére hozzávetőleg 2,5 – 3 millió köbméter anyag szükséges. A hulllámtérről kitermelhető mennyiségeket hasonlóan számítottam. Az onnan kinyerhető mennyiség 1,5 millió m3 körül mozog, ami a teljes mennyiség 40-50%-a. A fenékszint emeléséhez szükséges
19
további mennyiségek máshonnan szállítandók a területre. Ezek az értékek becsült számadatok, pontosításuk területi integrálással mindenképp szükséges. Itt szeretném megjegyezni, hogy a mederrehabilitációnak ez a változata hatalmas anyagi költségekkel járna. Ezenfelül további
fenntarthatósága is megkérdőjelezhető, mivel
várhatólag a folyó a feltöltés után természetes módon meanderezni kezd, ami új zátonyok megjelenéséhez vezethet. Ezeken a zátonyokon a megtelepedő növényzet újonnan akadályozni fogja az árvizek levonulását. Ennek elkerülésére a növényzetet irtani kell, amely újabb komoly költségeket jelentene a terület kezelője számára. Az ökológiai állapotokat tekintve a kivitelezés komolyan megbolygatná a vízi ökoszisztémát, nem beszélve a hullámtéri kitermelések okozta károkról. Pozitív hatásként jelentkezne azonban, hogy a fenékküszöbös megoldással ellentétben az Öreg-mederben nem jönnek létre olyan műtárgyak, amelyek akadályoznák a vízrendszer hosszirányú átjárhatóságát. Végül, ami a hajózhatóságot illeti, annak helyzete a mederfeltöltéses változat létrejöttével nem javulna, mivel a vízmélységek nem növekednének, csupán a vízszintek. Ugyan a fő hajózóút az üzemvízcsatornán keresztül vezet, de az Öreg-mederben is biztosítandó egy kisebb hajózási mélység például a fenntartó gépek számára.
Összefoglalás A Duna elterelésével a Szigetköz kisvízi vízszintjei méterekkel lecsökkentek, komoly ökológiai problémákat okozva ezzel a hullámtéren. Ezen időszakok állapotainak javítására készülő mederrehabilitációs tervek, mint például a mederfeltöltés a nagyvízi időszakokban is megváltoztatják a hullámtér áramlási viszonyait. A Dunának ez a szakasza igen összetett, jellegében többdimenziós áramlási rendszer, amely megkívánja a kétdimenziós megközelítést numerikus vizsgálatok folyamán. A TDK munka során megterveztem az új medergeometriát majd sikeresen beépítettem az RMA2 modellbe. A számított
eredményeket
részletesen
ismertettem.
Az
árvízszintek
növekedése
a
várakozásokkal ellentétben nem volt jelentős mivel a parti sávok képesek ellensúlyozni a főmeder vízszállító-képességének csökkenését. Ennek oka, hogy a mederfeltöltéssel járó kisvízi vízszintek megnövekedése kedvezően alakítja ezen területek simasági viszonyait, mivel azok újra vízborított területekké válnak, megakadályozva a növényzet megtelepedését. Kiemelném továbbá, hogy a dolgozat végén bemutatottak szerint, ez a tervváltozat komoly hátrányokkal is bír. Egyrészről rendkívül költséges a megvalósítása, fenntarthatósága pedig 20
bizonytalan. Másrészről komoly károkat keletkezhetnek a kivitelezés folyamán a főmeder vízi élővilágában. A kétdimenziós modell-leírással területi eloszlásukban közvetlenül le tudjuk képezni a mederre és simaságra ható beavatkozásokat, ezáltal azok hatása kalibrált és ellenőrzött modellel megbízhatóan számszerűsíthető. Ennek köszönhetően javasolom a további rehabilitációs tervváltozatok modellvizsgálatát is ahhoz, hogy mind a kis- és középvízi, mind a nagyvízi hidraulikai hatásaik egymással összehasonlíthatók legyenek. A megfelelő tervváltozat kiválasztása természetesen ezeket az áramlástani hatásokat alapul veszi, de szükséges az ökológiai, gazdasági hatások megfelelően súlyozott mérlegelése is.
Hivatkozások Abbott, M. B. (1979): Computational hydraulics – Elements of the theory of free surface flows. Pitman, London. BME VVT (2005): Árvízi levezető-képesség vizsgálata a Duna régi medrének szlovák-magyar szakaszán, Numerikus modellvizsgálatok, Kutatási jelentés. BYU-EMRS (2002): SMS (Surface Water Modeling System) Version 8.0. Brigham Young University, Environmental Modeling Research. Donnell, B. P.; Letter, J. V.; McAnally, W. H., et al (2001): User's guide for RMA2 Version 4.5, US Army, Engineer Research and Development Center, Waterways Experient Station, Coastal and Hydraulics Laboratory, [http://chl.wes.army.mil/software/tabs/docs.htp]. Páczelt I. (1999): Végeselem-módszer a mérnöki gyakorlatban, I. kötet. Miskolci egyetem. Torma P. (2007): Hullámteres vízfolyások árvízi modellezése az egydimenziós leírása adaptálásával, BME Építőmérnöki Kar, TDK Konferencia.
21
