Lucrare de Disertatie Iordache Daniel

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII BUCURETI

FACULTATEA DE HIDROTEHNIC

Masterat Inginerie Hidraulic

MODELAREA MATEMATIC 2D A

HIDRODINAMICII PE RUL SOMEUL MIC,

AMONTE CLUJ NAPOCA - AVAL JUCU

Coordonator tiinific

ef lucrri dr. ing. Nicolai Srbu

Absolvent

Ing. Daniel Iordache

Bucureti

2013

Ing. Daniel Iordache Lucrare de Disertaie


Facultatea de Hidrotehnic - UTCB 2

Declaraie de onestitate

Prin prezenta declar c Lucrarea de disertaie cu titlul Modelarea matematic 2D a hidrodinamicii pe rul Someul Mic, amonte Cluj-Napoca aval Jucu este scris de mine i nu a mai fost prezentat niciodat la o alt facultate sau instituie de nvamnt superior din ara sau din strinatate.

Bucureti,

17.06.2013

Absolvent,

Ing. Daniel Iordache




Cuprins

Lista figurilor si a tabelelor .................................................................... 4

CAPITOLUL 1. ASPECTE TEORETICE .................................................. 5

1.1. Curgerea cu nivel liber ............................................................. 5

1.2. Ecuaiile folosite n Hydro_As-2D ........................................... 7

CAPITOLUL 2. DESCRIEREA DOMENIULUI DE STUDIU ................... 10

2.1. Zona investigat ..................................................................... 10

2.2. Date de intrare ......................................................................... 13

CAPITOLUL 3. CREAREA MODELULUI ............................................... 19

3.1. Modelarea hidraulic Generalitati ...................................... 19

3.2. Programele utilizate ................................................................ 20

3.3. Crearea albiei minore ............................................................. 22

3.4. Crearea albiei majore ............................................................. 23

3.5. Finalizarea modelului ............................................................. 24

3.6. Rugozitti ................................................................................ 27

3.7. Condiiile la limit ................................................................... 29

3.8. Calibrarea modelului .............................................................. 31

CAPITOLUL 4. REZULTATE ALE CALCULULUI HIDRODINAMIC ..... 33

DISCUII SI CONCLUZII ........................................................................ 47

BIBLIOGRAFIE ...................................................................................... 49

CURRICULUM VITAE ............................................................................ 50




Lista figurilor si a tabelelor

Figura 1.1 : Schia principal a sistemului de modelare ______________ 8

Figura 2.1 : Delimitarea bazinelor hidrografice _____________________10

Figura 2.2 : Bazinul hidrografic Some-Tisa _______________________11

Figura 2.3 : Poziionarea pe hart a zonei investigate _______________12

Figura 2.4 : Reprezentarea profilelor transversale n albia rului ______13

Figura 2.5 : Releveu pod _______________________________________14

Figura 2.6 : Implementarea pragului n modelul albiei minore ________ 15

Figura 2.7 : Modelul numeric al terenului _________________________ 15

Figura 2.8 : Cheia limnimetric S.H. Cluj-Napoca __________________ 17

Figura 2.9 : Cheia limnimetric S.H. Apahida _____________________ 17

Figura 3.1 : Discretizarea albiei minore __________________________ 22

Figura 3.2 : Modelul albiei majore ______________________________ 23

Figura 3.3 : Vedere 3D a modelului _____________________________ 24

Figura 3.4 : Detaliu confluena Someul Mic Nda vedere n plan_ 25

Figura 3.5 : Detaliu confluena Someul Mic Nda vedere 3D ____ 26

Figura 3.6 : Folosina terenului _________________________________27

Figura 3.7 : Hidrograf Someul Mic Q1% - amonte __________________29

Figura 3.8 : Cheie limnimetric Someul Mic aval ________________ 30

Figura 3.9 : Hidrograf Someul Mic Q1% - aval ____________________ 30

Figura 3.10 : Rezultatele calibrrii la SH Cluj-Napoca ______________ 32

Figura 3.11 : Rezultatele calibrrii la SH Apahida __________________ 32

Figura 4.1 : Introducerea hidrografului constant ___________________33

Tabel 2.1 : Date hidrologice Someul Mic regim amenajat __________ 18

Tabel 3.1 : Rugoziti _________________________________________ 27




CAPITOLUL 1. ASPECTE TEORETICE

1.1. Curgerea cu nivel liber

Miscarea nepermanent n albii deschise

Miscarea nepermanent cu suprafa liber se prezint n forme variate: valurile produse de vant sau de alte cauze la suprafaa mrilor, oceanelor sau lacurilor, undele de viitura sau de inundaie pe ruri, undele produse n canale i ruri la manevrarea construciilor sau instalaiilor hidrotehnice [1].

Ca i miscrile nepermanente sub presiune, miscrile permanente cu suprafa liber au caracter ondulatoriu. Ele iau natere ca urmare a modificarii condiiilor la limit, prin schimbarea debitelor sau a nivelurilor. Aceste schimbari au caracterul unor perturbaii care se transmit cu vitez finit sub forma de unde.

La o modificare de debit Q este asociat o modificare de nivel h, ceea ce arat c o perturbaie genereaz doua unde asociate (Q, h), respectiv modific simultan debitul i nivelul. Transmiterea modificrilor de nivel conduce la modificarea formei suprafeei libere. Orice miscare nepermanent cu suprafa liber poate fi recunoscut prin variaia n timp a formei suprafeei libere.

Spre deosebire de miscarea nepermanent sub presiune a lichidelor n conducte la care celeritatea este de ordinul a 1000 m/s, deci de cateva sute de ori mai mare dect viteza de micare n conducte, la miscrile nepermanente cu suprafaa liber celeritaile sunt mult mai reduse, de ordinul de mrime al vitezelor de micare a fluidului. De aceea, la miscrile cu suprafaa liber nu mai poate fi aplicat metoda suprapunerii efectelor, care in cazul micrii sub presiune a permis elaborarea unor metode de calcul relativ simple. Din aceast cauza, calculul micrii cu suprafa liber devine mult mai complicat, expresie a faptului c este vorba de un fenomen neliniar, cu variate forme de manifestare. De aceea, si metodele de calcul sunt mult diferite n raport cu clasa problemei.




Clasificarea micrilor nepermanente se face n doua mari grupe:

- grupa I, micari fara transport de fluid (valurile); - grupa II, micari cu transport de fluid.

Din a doua grup fac parte micrile nepermanente n ruri i canale, la care fenomenul ondulatoriu de propagare a unor perturbaii se suprapune unei micri a apei cu o viteza V. Ponderea celor doua aspecte este variabil i de aceea i problemele care apar sunt foarte variate, mergnd de la fenomene pur ondulatorii la fenomene de micare lent variabil a apei cu modificri relativ mici, produse n intervale mari de timp, ale caracteristicilor curgerii.

Unda de viitura este micarea nepermanent care se produce pe ruri i care cuprinde n general o faza de cretere a nivelurilor ca urmare a creterii debitelor ce alimenteaza rul (din ploi, din topirea zpezilor) si apoi o faz de descrestere. Micarea are o evoluie lent variabil n timp, ceea ce se traduce printr-o micare gradual variabil n spaiu, cu viteze care au compenente neglijabile ntr-un plan perpendicular pe axa curgerii.

Unda de inundaie este nepermanent generat de o cretere brusc i masiv a debitului ntr-un sector de rau. Asemenea fenomene pot aprea n timpul apelor mari cand se produc acumulri datorita obstructurrii unei seciuni (pod, strangulare) cu materiale aduse de ap i apoi obstacolul cedeaz brusc. De asemenea, apar unde de inundaie la manevre greite sau de avarie a construciilor hidrotehnice, la ruperea barajelor (unde de rupere a barajelor). Asemenea unde au un front nalt, cu caracter de salt, care se propag de obicei pe fund uscat sau pe ap mic, dup care urmeaza corpul undei a crui micare este gradual variat. Exista mai multe metode pentru calculul caracteristicilor frontului de und, unele simple i aproximative, altele care folosesc metoda mecanicii fluidelor, altele care se bazeaz pe studii experimentale.




1.2. Ecuaiile folosite n Hydro_As-2D

Ecuaiile 2D ale curgerii mediate pe adancime

Calculul numeric bidimensional al curgerii apei prin albia rului prin simularea undei de viitur are la baz ecuaiile 2D ale curgerii mediate pe adncime, cunoscute i ca ecuaiile pentru simularea curgerii cu adncime mic.

Acestea provin din integrarea ecuaiilor tridimensionale de continuitate i din ecuaiile Navier-Stokes pentru fluide incompresibile n ipoteza de distribuie hidrostatice a presiunii.

ntr-o form vectorial, ecuaiile pot fi scrise astfel:

0w f g

st x y

H

w uh

vh

2 20.5

uh

uf u h gh vh

x

vuvh vh

x

0

(

(

fx bx

fy by

s gh S S

gh S S

2 20.5

vh

ug uvh vh

y

vv h gh vh

y

Unde:

H - este nivelul apei,

u i v - reprezint componentele vitezei pe direciile x si y,

S - conine termenii pantei liniei energetice Sf (cu componentele pe direciile x i y) i panta albiei rului (cu componentele pe direciile x si y).




Figura 1.1 - Schia principal a sistemului de modelare

Panta fundului albiei n direciile x respectiv y este definit prin gradientul cotei talvegului z:

by

zS

x

bx

zS

y

Panta liniei energetice este definit prin formula Darcy-Weisbach:

| |

2fS

gD

Determinarea coeficientului de frecare se face cu ajutorul formulei Manning:

2

1/3

26.34

gn

D

Unde:

n - este coeficientul lui Manning,

g - este acceleraia gravitaional,

D - este raza hidraulic (pentru curgerea n albii naturale, raza hidraulic reprezint adncimea apei).




Vscozitatea

Exist mai multe moduri prin care se poate defini vscozitatea: abordarea prin care se presupune ca vascozitatea este constanta pe intreg domeniul curgerii, printr-o formulare algebrica sau empirica a acesteia sau

printr-un model de turbulenta k-

Cele mai multe calcule numerice mediate pe adancime se bazeaza pe conceptul de vascozitate constanta. Prin practica s-a constatat ca printr-o optimizare atenta a modelului de vascozitate constanta, se obtin rezultate similare cu cele obtinute prin modelele complexe de turbulenta.

Astfel, vascozitatea tip Eddy este implementata in Hydro_As-2S conform urmatoarei ecuatii:

+c v h,

Unde:

este vscozitatea cinematic de baz (o constant care poate fi atribuit in SMS fiecrui poligon care desemneaz folosina terenului n parte, avnd valoarea de baz 0).

h - este adncimea apei

v - este viteza de forfecare

ceste un coeficient determinat prin ncercri experimentale, ale crui valori variaz ntre 0.3 si 0.9. Hydro_As-2d folosete valoarea medie c= 0.6




CAPITOLUL 2. DESCRIEREA DOMENIULUI DE STUDIU

2.1. Zona investigat

Bazinul hidrografic Some-Tisa este situat n partea de nord i nord-vest a arii, delimitat la nord de grania cu Ucraina, la vest de grania cu Ungaria, iar pe teritoriul trii se nvecineaz cu bazinul hidrografic al Siretului la est, bazinul Mureului la sud i bazinul Criurilor la sud-vest (fig. 2.1).

Suprafaa totala a bazinului hidrografic este de 22380 km2,

reprezentnd 9,5% din suprafaa trii, fiind format pe teritoriul Romniei de rurile Tisa, Some i Crasna. Suprafaa bazinului rului Some este de 15740 km2.

Principalele cursuri de ap ale bazinului hidrografic Some-Tisa sunt: Some, Tisa, Crasna, Tur, Lapus, Someul Mic, Bistria, Vieu i Iza.

Figura 2.1 Delimitarea bazinelor hidrografice




Rul Someul Mic are o lungime de 178 km i o suprafat a bazinului de 3770 km2. Izvorte din munii Apuseni i poart numele de Someul Cald pn la confluena cu Someul Rece n lacul de acumulare Gilau. Someul Mic traverseaz oraul Cluj-Napoca i, in urma confluentei cu Someul Mare, formeaz rul Some n zona oraului Dej (fig.2.2).

Afluenii de baz ai rului Someul Mic sunt Cpu, Nda, Borsa, Gdlin si Fize.

Figura 2.2 Bazinul hidrografic Some-Tisa




Zona investigata pentru rul Someul Mic (figura 2.3) ncepe de la sectorul amonte al oraului Cluj-Napoca, n zona confluenei cu afluentul Grbau i se termin aval de comuna Jucu, n zona confluenei cu rul Bora, pe o lungime de aproximativ 40 de km.

Figura 2.3 Poziionarea pe hart a zonei investigate




2.2. Date de intrare

Datele de baz utilizate n program constau n date topografice i date hidrologice.

Datele de baz topografice:

- profile transversale prin albia minor a rului

Figura 2.4 Reprezentarea profilelor transversale n albia rului

Au fost ridicate profile batimetrice pe o lungime de ru de 40 km cu o densitate medie de 300-400 m unul de celalalt, numarul total de profile fiind de 97.

Acestea au fost folosite n program sub form de puncte xyz (x,y coordonate Stereo 70 i z - mdMN) pentru a se realiza discretizarea albiei minore.




- Relevee la structuri inginereti (poduri, praguri)

Figura 2.5 Releveu pod

Numarul total de poduri pentru zona studiat este de 27, iar cel de praguri de fund 4.

Podurile s-au introdus n model definind cota inferioar a tablierului. Acestea au fost georefereniate, astfel nct discretizarea modelului n zona podurilor s se realizeze astfel: pilele si culeele podurilor sunt delimitate de un element (sau mai multe, n funcie de dimensiunea acestora), pentru ca ulterior acestor elemente s li se atribuie rugozitatea Kst=0 (apa sa nu treac prin ele).

Cnd apa depete cota superioar a tablierului, partea din curgere care se desfaoar peste acesta se calculeaz cu ecuaia lui Poleni pentru curgerea peste deversor.




Pragurile s-au implementat n modelul albiei minore folosind profile transversale att prin baza ct i prin cota superioar a acestora, dup cum se poate vedea in figura 2.6.

Figura 2.6 Implementarea pragului n modelul albiei minore

- Modelul numeric al terenului: puncte n coordonate xyz (x,y coordonate Stereo 70, z mdMN), punctele avnd o rezolutie foarte dens (fig. 2.5).

Figura 2.7 Modelul numeric al terenului




Modelul numeric al terenului a fost obtinut prin zboruri LIDAR, efectuate cu avionul sau cu elicopterul.

LIDAR este o tehnic activ de teledetecie prin scanarea i msurarea distanelor. Avnd abilitatea de a "vedea prin copaci", are capacitatea de a furniza o modelare exact a suprafeei terenului. Datorit razei laser, LIDAR are dimensiuni suficient de mici pentru a ptrunde printre crengile copacilor i a ajunge la suprafaa terenului, genernd date cu o acuratete ridicata.

n timpul zborului deasupra zonei desemnate, o raza laser scaneaz terenul i obiectele de la sol. Dup contactul cu solul, raza laser se intoarce la avion producnd att date de tip punct cat i imagini infraroii. Dupa colectarea integral a datelor, acestea sunt procesate intr-o imagine derivat din puncte. Fiecare punct, care este tridimensional, poate fi vizualizat n orice direcie dorit, furniznd o reprezentare 3D a zonei de interes.

Datele de baz hidrologice constau in:

- Debite maxime cu diverse probabiliti de depire (tabel 2.1

Au fost folosite datele hidrologice n regim amenajat, adic se ine cont de efectele celor 2 acumulri din amonte (Vtot de atenuare = 2.20 mil m

3):

acumularea Gilu Vtotal = 3.57 mil m3, Vde atenuare = 1.12 mil m

3,

acumularea Floreti VNNR = 1.97 mil m3, Vde atenuare = 1.08 mil m

3.

Debitul maxim istoric inregistrat la staia hidrometrica Cluj Napoca (amplasat amonte de confluena cu rul Nda) este de 274 m3/s, unde Q5% = 262 m

3/s.

Debitul maxim istoric nregistrat la staia hidrometric Apahida este de 305 m3/s, unde Q5% = 309 m

3/s.

- Parametri undelor de viitur (timpul total, timpul de cretere i coeficientul de

formtabel 2.1

- Cheile limnimetrice de la staiile hidrometrice Cluj-Napoca i Apahida (fig 2.8 si fig 2.9)




Figura 2.8. Cheia limnimetric S.H. Cluj-Napoca

Figura 2.9. Cheia limnimetric S.H. Apahida




Datele hidrologice n regim amenajat sunt urmtoarele:

Tabel 2.1 Date hidrologice Someul Mic regim amenajat

Seciune L(km) F(km.p.) Z.med.(mdMN) Q1 Q1% Q5% Q10% Q80% Tt (ore) Tc(ore) W1%(mil.m.c.)

am.Grbu 89 1165 987 576 360 240 190 65 120 30 0.30 46.62

av.Grbu 89 1193 980 585 378 250 199 65 120 30 0.29 47.34

am.Nda 96 1218 968 590 395 262 207 66 123 31 0.29 50.72

av.Nda 96 1590 860 665 445 295 231 70 132 33 0.31 65.55

am.Chintenilor 97 1591 861 665 445 295 231 71 132 33 0.31 65.55

av.Chintenilor 97 1635 850 672 445 298 232 72 133 33 0.31 66.12

am.Beca 102 1651 842 673 446 302 233 72 133 33 0.31 66.19

av.Beca 102 1695 837 675 445 306 232 73 133 33 0.31 66.00

am.Zapodie 106 1701 832 675 445 307 232 73 133 33 0.31 66.03

av.Zapodie 106 1745 830 677 444 305 231 73 134 33 0.31 66.33

s.h.Apahida 113.5 1850 803 684 435 309 237 75 138 35 0.31 66.99

am.Feidureni 114 1854 802 715 435 305 236 75 138 35 0.31 67.01

av. Prodae 119 1943 784 735 438 296 233 77 140 35 0.31 68.43

aV.Borsa 128 1959 780 743 438 296 233 77 140 35 0.31 68.50




CAPITOLUL 3. CREAREA MODELULUI

3.1. Modelarea hidraulic Generalitati

Procesul hidraulic de propagare a curgerii prin albie este foarte complex, in special in timpul viiturilor, datorit modului diferit de formare i variabilitii condiiilor reale n care se desfoar curgerea apei.

Acest lucru se datoreaz n primul rnd faptului c rugozitatea i morfologia albiei variaz foarte mult n spaiu, ceea ce face ca procesul hidraulic al propagrii viiturilor s fie tridimensional, cu direcia principal de curgere n lungul cursului de ap.

Modelarea hidraulic este metoda de rezolvare a unor probleme concrete de hidraulic cu ajutorul reproducerii pe un model hidraulic a fenomenelor studiate.

Necesitatea modelrii hidraulice apare la studiul unor probleme complicate care nu pot fi rezolvate prin calcul sau ale cror soluii necesit verificri experimentale.

. Astfel, exist trei modaliti de simulare a curgerii apei n albiile rurilor:

1D ntr-o dimensiune, ceea ce nseamn c simularea se face numai pe direcia de curgere a apei. Metoda se poate folosi pentru reele mari de ruri i perioade mari de timpi de calcul. Softurile existente sunt foarte ieftine sau chiar gratuite.

2D n doua dimensiuni (folosit pentru calculul propagrii undelor de viitura n albiile rurilor, simularea scenariilor de accidente la baraje, modelarea i introducerea n calcul a diferitelor construcii existente n albiile rurilor). Calculul se face pe direcia de curgere a apei i pe direcie normal la aceasta. Cu ajutorul acestei metode se pot rezolva urmtoarele probleme:

- delimitarea suprafeelor inundabile;

- determinarea vitezelor de curgere;

- calculul adncimii i a cotei suprafeei libere a apei n orice punct;

- calculul eforturilor tangeniale de frecare;

- determinarea efectului de retenie;

- estimarea timpilor de aciune a autorittilor competente;

- scenarii de accident la baraje;

- simularea curgerii neuniforme etc.




3D n trei dimensiuni (folosit n cazul n care vitezele verticale nu sunt neglijabile, diferena de temperatur pe verticala este semnificativ, se fac studii de micare a poluanilor n lacuri etc.). Softurile sunt foarte scumpe i calculul cere resurse hardware foarte puternice.

3.2. Programele utilizate

Pentru modelarea bidimensional a rului Someul Mic s-au folosit programele Surface-Water Modeling System (SMS) de la AquaVeo, Provo, Utah, Statele Unite ale Americii i Hydro_As-2D creat de Dr. ing. Marinko Nujic, Rosenheim, Germania.

Pentru realizarea unei simulari folosind aceast metod au fost urmai 3 pai: pre-procesarea (realizarea modelului numeric al terenului, introducerea rugozitilor i a condiiilor iniiale i de margine), procesarea i post-procesarea (vizualizarea rezultatelor i interpretarea acestora).

SURFACE-WATER MODELING SYSTEM (SMS)

Este un program folosit pentru pre-procesare si post-procesarea modelrii i analizei curgerii apei n albia rurilor.

Pre-procesarea se refer la:

- Construirea modelului numeric al terenului (MNT) pe baza datelor topografice existente. MNT-ul este reprezentat ca o reea de puncte unite ntre ele i care formeaz elemente de form triunghiulare (n albia minor) i patrulater (n albia major).

- Verificarea MNT prin vizualizarea acestuia ntr-un spectru de culori care s sugereze relieful terenului;

- Introducerea rugozitilor terenului i a utilizrii acestuia;

- Introducerea condiiilor iniiale i de margine i a construciilor existente

Post-Procesare se refer la vizualizarea i interpretarea rezultatelor.

Acestea constau n:

- Hrile de inundabilitate pentru debitele cu diverse probabilitti de depire

- Distribuia cmpului de viteze

- Nivelul si adncimea apei n orice punct

- Calculul liniei energetice

- Calculul numarului lui Froude etc.




HYDRO_AS-2D

Se folosete pentru procesarea calculelor hidraulice pe modelul creat. Programul genereaz automat cteva fiiere de rezultate, care sunt apoi introduse in SMS i folosite n post-procesare.

Fiierele rezultate n urma rulrii programului Hydro_As-2d sunt urmtoarele:

Fiiere de tip ASCII care se import n SMS pentru vizualizare

- WSPL_MAX.dat Nivelul maxim al apei calculat n fiecare nod al discretizrii modelului

- WSPL.dat Nivelul apei calculat in fiecare nod al discretizrii modelului pentru fiecare pas de calcul

- Veloc.dat Viteza apei calculata in fiecare nod al discretizarii modelului pentru fiecare pas de calcul

- Depth.dat Adncimea apei calculat n fiecare nod al discretizrii modelului pentru fiecare pas de calcul

- Strickler.dat Valoarea coeficientului de rugozitate pentru fiecare nod al discretizrii modelului

- Schub_max.dat Efortul maxim de forfecare calculat pentru fiecare nod al discretizrii modelului - Dauer.dat - Durata inundaiei pentru fiecare nod al discretizrii modelului (sau altfel spus, timpul cat este udat de apa nodul respectiv)

SMS poate exporta aceste fiiere n format .SHP sau .XYZ pentru a putea fi vizualizate de exemplu i n ArcGis sau in Global Mapper.

Fiiere de tip ASCII care se importa in Excel pentru vizualizare

- Q_str Valoarea debitului calculat n seciuni de control prestabilite, pentru fiecare pas de calcul

- Gauges.dat Nivelul apei calculat n puncte de control prestabilite, pentru fiecare pas de calcul




Seciunile de control au fost trasate amonte i aval de fiecare afluent, pentru a se asigura pstrarea debitului corespunztor probabilitii de depire de-a lungul ntregului model, dar i n dreptul staiilor hidrometrice pentru a se realiza calibrarea modelului.

Punctele de control au fost puse in talvegul rului, n dreptul fiecarui profil dar i n dreptul staiilor hidrometrice pentru a se realiza calibrarea modelului.

Timpul total pentru care s-a realizat simularea n regim nepermanent este de 140 de ore (timpul total al viiturii), iar pasul de calcul ales a fost de 1 ora.

Astfel, dac de exemplu alegem pasul de calcul nr. 35 (35 de ore de la nceputul viiturii, care corespunde cu timpul de cretere), putem vedea valoarea debitului i nivelul apei aferent acestuia n sectiunea respectiv. Alegnd mai multi pai de calcul, se poate reprezenta grafic cheia limnimetrica calculat n seciunea aleasa.

3.3. Crearea albiei minore

Crearea unui model pentru modelarea hidro-dinamic cu HYDRO_AS-2D este caracterizat prin doi pai majori.

Primul pas este crearea modelului albiei minore folosind seciunile transversale i limita luciului apei extras din modelul numeric al terenului. Discretizarea albiei minore consta n principal din elemente rectangulare, avnd lungimi cuprinse ntre 2 i 4 m i limi cuprinse ntre 0.5 i 2 m. Reeaua se creaz automat, nsa apoi se completeaz manual cu date suplimentare prin reproducerea discontinuitilor din albie ntre profilele transversale.

Figura 3.1. Discretizarea albiei minore




3.4. Crearea albiei majore

Al doilea pas este construirea modelului albiei majore avnd la baz modelul numeric al terenului. Reeaua de puncte se ia din acesta dupa ce in prealabil a fost transformat sub forma de grid prin interpolare, avnd o rezoluie de 1x1m.

Modelul albiei majore se formeaz printr-o combinaie de elemente triunghiulare i dreptunghiulare cu lungimi cuprinse ntre 0.2 m i 6 m, n funcie de relieful terenului.

Dac relieful este abrupt, cu schimbri dese de naltime, elementele vor avea lungimi mici, iar in zonele unde relieful este mai aplatizat, elementele vor avea lungimi mai mari.

Un exemplu pentru modelul albiei majore pozate fi vzut in fig.3.2.

Figura 3.2. Modelul albiei majore




3.5. Finalizarea modelului

Modelul final se obine prin ansamblarea celor 2 modele create anterior (cel al albiei minore a raului i cel al albiei majore).

O vedere tridimensional a modelului poate fi observat n fig 3.3.

Figura 3.3. Vedere 3D a modelului

Acesta acoper o suprafa de 72.1 km i are o rezolutie foarte detaliata: numarul nodurilor i elementelor este de 1.288 milioane, respectiv 2.663 milioane.

Pe suprafata zonei studiate, rul Someul Mic are 11 aflueni. Albia minora a fost modelat i pentru acetia, pentru a se putea observa efectul de remuu. Cei 11 aflueni




sunt: Grbu, Nda, Popesti, Chintenilor, Beca, Murtori, Zapodie, Valea Fneelor, Mlroiu, Feiurdeni i Prodae.

In fig. 3.4 si fig 3.5 sunt prezentate 2 detalii (vedere n plan i vedere 3D) ale modelului n zona confluenei cu rul Nda.

Figura 3.4. - Detaliu confluen Someul Mic Nda vedere in plan




Detaliu vedere 3D confluena Someul Mic Nadas

Figura 3.5 - Detaliu confluena Someul Mic Nda vedere 3D




3.6. Rugozitti

Rugozitatea albiei minore a fost aleas Kst = 40 (n=0.025) n zona municipiului Cluj-Napoca, respectiv 30 (n=0.033) in zona aval a orasului.

Rugozitatea pentru albia major a fost stabilit n conformitate cu folosina terenului, astfel:

Tabel 3.1. - Rugozitati

Folosine Manning n Valori Strickler

(Kst = 1/n)

Cale ferat 0.055 18

Zid 0.020 50

Drum nepavat 0.030 33

Drum pavat 0.025 40

Vegetatie deas 0.200 5

Vegetatie medie 0.100 10

Vegetatie rar 0.066 15

Prloag 0.055 18

Alte utilizri ale terenului 0.050 20

Teren agricol 0.050 20

Pajite 0.045 22

Asfalt, Beton 0.020 50

Au fost trasate poligoane cu acoperirea terenului folosind aero-fotogramele avute la dispoziie, iar fiecrui poligon i s-a atribuit folosina aferent. Rugozitatea a fost introdus elementelor modelului prin intersecia discretizrii cu poligoanele create anterior.




Folosina terenului pentru ntreg modelul poate fi observat n figura 3.6.

Figura 3.6 - Folosinta terenului

Elementele marcate ca disable sunt reprezentate de pilele i culeele podurilor, avnd valorea coeficientului de rugozitate Kst =0, ceea ce nseamn c apa nu poate trece prin acestea.

.




3.7. Condiiile la limit

Condiiile la limit sunt reprezentate de hidrograf n amonte i cheie limnimetric n seciunea din aval.

Hidrograful amonte pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1% este prezentat in fig. 3.7 iar cheia limnimetric din aval in fig 3.8.

Figura 3.7 Hidrograf Someul Mic Q1% - amonte

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

0 20 40 60 80 100 120

Deb

it (

m3

/s)

Timp (ore)

Somesul Mic hidrograf 1% - amonte




Figura 3.8 Cheie limnimetric Someul Mic - aval

Pentru debitul de 1% s-au facut simulri att n regim nepermanent ct i n regim permanent (hidrograf constant).

Dupa cum se poate observa n hidrologia rului Someul Mic (fig. 2.1), debitul pentru fiecare probabilitate de depire nu este constant n lungul modelului. Astfel, pentru a se mentine probabilitatea de depsire, s-au introdus debite suplimentare n diferite seciuni ale modelului (resturi de bazin sau de sub-bazin), hidrograful de ieire din model fiind prezentat in fig. 3.7.

272

273

274

275

276

277

278

279

280

281

282

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

H (

md

MM

)

Q (m3/s)

Cheie limnimetrica Somesul Mic - aval




Figura 3.9 Hidrograf Someul Mic Q1% - aval

3.8. Calibrarea modelului

Corectitudinea modelului Some a fost verificat comparnd cheia limnimetric calculat cu cea masurat n staiile hidrometrice Cluj-Napoca i Apahida, n urma calibrrii modelului prin varierea valorilor coeficienilor de rugozitate.

Rezultatele calibrrii pot fi vzute n fig. 3.10, respectiv fig 3.11

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

500.0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Deb

it (

m3

/s)

Timp (ore)

Somesul Mic hidrograf 1% - aval




Figura 3.10 Rezultatele calibrrii la SH Cluj-Napoca

Figura 3.11 Rezultatele calibrrii la SH Apahida

H (mdM)

H (mdMM)

Q (m3/s

Q (m3/s




CAPITOLUL 4. REZULTATE ALE CALCULULUI HIDRODINAMIC

Au fost efectuate 5 simulari pentru modelul creat pentru miscarea permanent . Aceste scenarii corespund debitelor cu probabilitaile de depire de 80%, 10%, 5%, 1% si 0,1%.

Pentru miscarea nepermanent s-a realizat o simulare corespunztoare debitului cu probabilitatea de depsire de 1%.

Hydro_As-2d realizeaz calcule doar n regimul nepermanent, variabilele depinznd mereu de timp. Astfel, pentru a se realiza simularea n regim permanent cu Hydro_As-2d se introduce un hidrograf constant, avand valoarea debitului maxim pentru fiecare probabilitate de depire (fig 4.1)

Figura 4.1. Introducerea hidrografului constant

Timpul necesar efecturii calculelor depinde de urmtoarele:

-resursele hardware ale calculatorului

-gradul de discretizare al modelului

-caracteristicile viiturii (timpul total, timpul de crestere, debitul la varf)

-pasul de calcul ales




Astfel, pentru debitul cu probabilitatea de depasire de 1%, calculul in regim nepermanent al ntregii viituri (timpul total de 140 de ore i timpul de cretere de 35 de ore), cu un pas de calcul ales la 1 ora, a durat 5 zile pe un laptop cu procesor Intel Core i7 @1.73Ghz si 4GB memorie RAM, modelul fiind discretizat in 1.288 milioane noduri, respectiv 2.663 milioane elemente.

Avantajul simularii n miscarea permanent este faptul c timpul necesar pentru efectuarea calculelor este mult diminuat. Astfel, tot pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1%, dar pentru miscarea permanent, calculul a durat 10 ore.




Simulare n regim permanent limita inundabil pentru debitul cu probabilitatea de depaire 80%

Pentru debitul cu probabilitatea de depire de 80% (Qmax amonte= 65 m3/s, Qmax

aval= 77 m3/s), se constat c suprafaa liber a apei respect ceea ce conventional s-a

ales ca fiind albie minora. Aceasta se poate vedea si in figura urmatoare unde se observ discretizarea albiei minore.




Detaliu pentru adncimea apei calculat - debitul cu probabilitatea de depire de 80%

Se poate observa faptul ca discretizarea albiei minore a rului este n conformitate cu ltimea benzii de inundabilitate produs de debitul cu probabilitatea de depire de 80%.




Simulare n regim permanent limita inundabil pentru debitul cu probabilitatea de depire 10%

Pentru debitul cu probabilitatea de depire de 10% (Qmax amonte = 190 m3/s Qmax

aval = 240 m3/s), apa depaeste albia minora in zona aval. Nu este afectata nicio

localitate, ns este inundat o suprafa agricol de aproximativ 3.5 km2 (350 ha).





Pentru debitul cu probabilitatea de depire de 5% (Qmax amonte = 240 m3/s, Qmax

aval = 309 m3/s) este inundat o suprafaa agricol de 5.9 km2 (590 ha). De asemenea,

este afectat partial comuna Apahida.





Debitul cu probabilitatea de depire de 1% (Qmax amonte = 360 m3/s Qmax aval = 446

m3/s) nu afecteaz municipiul Cluj-Napoca i nici platforma comercial de la Jucu, de unde rezult c digurile de aprare au fost dimensionate corespunzator. n schimb afecteaz comunele Snnicoara, Apahida si Jucu de Mijloc i o suprafaa agricol de 11km2 (11000 ha).




Simulare n regim nepermanent limita maxim inundabil pentru hidrograful sintetic corespunzator debitului maxim cu probabilitatea de depire 1%

Limita maxim inundabil pentru hidrograful sintetic corespunztor debitului maxim cu probabilitatea de depire de 1% este aceeasi cu cea rezultat din calcul in regim permanent.




Simulare n regim permanent limita inundabil pentru debitul cu probabilitatea de depire 1

Debitul cu probabilitatea de depire de 1 (Qmax amonte = 576 m3/s Qmax aval = 743

m3/s) afecteaz municipiul Cluj-Napoca dar i aeroportul, platforma comercial Jucu, calea ferat, drumul naional i toate comunele din aval.




Detaliu aval Cluj Napoca Limita inundabil reprodusa prin simulare in regim nepermanent pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1%

n acest detaliu se observ c, pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1%, rul depaete albia minor imediat la iesirea din ora, dar nu afecteaz aeroportul.

Totodat, se poate observa efectul de remuu pe afluenii Beca i Murtori.




Detaliu Cluj Napoca - Limita inundabil pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1

Avnd n vedere c albia rului nu este suficient de larg pentru a transporta un debit aa mare orasul nu este asigurat la debitul cu probabilitatea de depasire de 1, inundaia afecteaz o parte semnificativ a orasului.




Simulare n regim permanent - Distribuia cmpului de viteze pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1%

Vitezele maxime de aproximativ 6 m/s sunt nregistrate in sectiunile aval ale podurilor.




Detaliu confluena cu rul Beca Distribuia vectorilor de vitez pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1%

n acest detaliu se poate observa sensul si viteza de curgere a apei att n albia minor ct i n albia major.




Rezultate au fost reprezentate i sub form tabelar, astfel: pentru fiecare profil s-a completat: debitul de calcul maxim pentru fiecare probabilitate de depire, cota talvegului, nivelul maxim calculat al apei, viteza maxim n albia minor i n albia major i extinderea benzilor de inundabilitate.

Un exemplu poate fi observat n tabelul de mai jos.




DISCUII SI CONCLUZII

Programele SMS i HYDRO_AS-2D au fost utilizate pentru a calcula nivelurile apei pentru bazinul hidrografic al rului Someul Mic. Programul de curgere hidro-dinamic HYDRO_AS-2D permite un calcul detaliat bi-dimensional al limitelor de inundabilitate.

Datele din examinrile terestre ale seciunilor transversale i ale structurilor hidraulice, cum ar fi poduri i praguri, precum i datele scanate cu laser a zonelor inundabile s-au folosit pentru crearea unui model 3D detaliat al zonei de interes.

Scenariile cu perioadele medii de revenire de o data la 1.25, 10, 20, 100, si 1000 de ani au fost calculate, fiind determinate zonele inundabile.

Paii urmati au fost:

prelucrarea datelor de intrare,

crearea modelului - crearea modelului albiei minore, introducerea podurilor i a pragurilor, crearea modelului albiei majore, ansamblarea celor 2 modele, introducerea rugozitailor n funcie de folosina terenului, introducerea condiiilor la limit - hidrograf amonte i cheie limnimetrica aval,

calibrarea modelului,

rularea programului Hydro_As-2d pentru debitele corespunzatoare probabilitilor de depire alese (Q80%, Q10%, Q5%, Q1%, Q1),

extragerea i intepretarea rezultatelor.

Vitezele i adncimile calculate n fiecare nod al discretizrii modelului au fost obinute prin rezolvarea ecuaiilor bidimensionale (cap. 1.2).

Astfel, modelele 2D ofer rezultate mai detaliate fa de modelele 1D, unde adncimile rezult n urma unei interpolri a valorilor suprafeei libere din fiecare profil transversal i intersectia acestei suprafee cu modelul terenului, iar vitezele rezult din interpolarea vitezelor obinute n profilele transversale.

ns modelele 2D sunt mai dificil de construit i necesit un timp mult mai ndelungat de rulare. Pentru parcurgerea tuturor pasilor mentionati mai sus, au fost necesare aproximativ 3 luni, lucrnd o singur persoan (autorul lucrrii).

De aceea, crearea unui model 2D nu se justific dect n zonele care trebuie aprate, cum ar fi localitile sau alte obiective importante, tocmai din cauza resurselor mari necesare construirii modelului. Ca urmare, ntr-o prim etap este recomandat s se realizeze o modelare unidimensional, iar dup identificarea zonelor care necesit o analiz n detaliu se va construi ulterior un model 2D.




Pentru zona studiat n lucrarea de fa s-a optat pentru realizarea unui calcul bidimensional deoarece sunt incluse urmatoarele localitti i obiective importante:

- Municipiul Cluj-Napoca i comunele Snnicoara, Apahida, Rscruci, Bontida si Jucu

- Aeroportul Cluj-Napoca, platforma comercial de la Jucu, drumul naional si calea ferata.

Pentru debitul cu probabilitatea de depire de 80%, se constat ca apa nu depaete albia minor. De altfel, simularea acestei probabiliti de depire s-a realizat pentru a se delimita suprafaa albiei minore a raului.

Inundaia produs de debitul cu probabilitatea de depire de 10% nu afecteaz nicio localitate i niciun obiectiv important, n schimb este inundat o suprafaa agricol de aproximativ 3.5 km2 (345 ha) n zona comunelor Apahida i Jucu.

Inundaia produs de debitul cu probabilitatea de depire de 10% afecteaz parial comuna Apahida i o suprafa agricol de 5.9 km2 (590 ha).

Pentru debitul cu probabilitatea de depire de 1% s-au facut simulari att n regim permanent ct i n regim nepermanent. Nu exist diferene ntre cele dou simulri. Municipiul Cluj-Napoca, platforma comercial Jucu i aeroportul nu sunt afectate. Ins este afectat calea ferata n dreptul podului de la ieirea din comuna Apahida. O suprafa agricol de 11km2 (11000 ha) este inundat.

Inundaia produs de viitura cu probabilitatea de depire de 1 afecteaz municipiul Cluj-Napoca, comunele din aval i toate obiectivele importante.

n final artm c un calcul bidimensional este superior unui calcul unidimensional, att prin gradul de detaliere a rezultatelor ct i prin modul acestora de prezentare.




BIBLIOGRAFIE

1. Dumitru Cioc, Hidraulica, Editura Didactica si Pedagocica, Bucuresti, 1983

2. Drobot Radu, Note dea curs - Geneza i caracterizarea viiturilor", U.T.C.B.,

Bucureti, 2012.

3. Drobot Radu, Aplicaii de hidrologie i gospodrirea apelor,Editura Didactic i

Pedagogic R.A., Bucureti, 1997, Colecia Tempus.

4. Manualul de Hydro_As-2d, A Two-Dimensional Flow Model for Water

Management Aplications, Users Manual

5. Manualul de Surface Water Modeling System (SMS), SMS Users Guide

6. Maria Alexandrescu, Teza de doctorat Gestiunea cantitativa a resurselor de apa

in bazinul hidrografic Ialomita

7. Administratia Bazinala de Ape Somes-Tisa, Plan de aparare impotriva

inundatiilor si gheturilor, secetei hidrologice, accidentelor la constructiile

hidrotehnice si poluarilor accidentale al bazinului hidrografic Somes-Tisa

(http://www.rowater.ro/dasomes/Planbaz/Plan%20Bazinal%202010-2013.htm)

8. Octavian Luca, Hidraulica micrilor permanente, Editura HGA Bucureti, 2000.

9. Octavian Luca, Gabriel Tatu, Virgil Petrescu, Hidrodinamica Cursurilor de Ap,

Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti, 1998.

10. Petru erban, Viorel Al. Stnescu, Petre Roman, Hidrologie Dinamic, Editura

Tehnic Bucureti, 1989.

11. Vladimirescu Ion, Hidrologie", Editura Didactic i pedagogic Bucureti, 1978.




CURRICULUM VITAE

INFORMAII PERSONALE Iordache Daniel

Bucuresti (Romnia)

0724685036

[email protected]

Locul si data nasterii 02.02.1988, Mizil, judetul Prahova Stare civila Necasatorit

EXPERIENA PROFESIONAL

EDUCAIE I FORMARE

01 august 2011 prezent Inginer Constructii Hidrotehnice

Hydro Environment Consulting, Bucuresti

-proiectare amenajari si constructii hidrotehnice

-modelare hidraulica bidimensionala

Octombrie 2011 prezent

Studii de masterat

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

Facultatea de Hidrotehnica

Specializarea Inginerie Hidraulica

Octombrie 2007 Iulie 2011 Diploma de inginer

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

Facultatea de Hidrotehnica

Specializarea Amenajari si Constructii Hidrotehnice

Septembrie 2003 Iunie 2007 Diploma de bacalaureat

Liceul Teoretic Grigore Tocilescu, Mizil

Profil real

Specializarea matematica-informatica




Limba matern

romn

Alte limbi strine cunoscute NELEGERE VORBIRE SCRIERE

Ascultare Citire Participare la conversaie

Discurs oral

englez C2 C1 C1 B2 C1

francez B2 B2 B1 B1 B2

Niveluri: A1/A2: Utilizator elementar - B1/B2: Utilizator independent - C1/C2: Utilizator experimentat Cadrul european comun de referin pentru limbi strine

Lucrare de Disertatie Iordache Daniel

Documents

Transcript of Lucrare de Disertatie Iordache Daniel