Hidrologija 2

GRAEVINSKI FAKULTET SVEUILITA U ZAGREBU

PROGRAM IZ HIDROLOGIJE 2 1

GRAEVINSKI FAKULTET SVEUILITA U ZAGREBU Zavod za hidrotehniku Vjebe iz Hidrologije 2, diplomski studij, akad. god 2013./2014.

2. PROGRAM IZ HIDROLOGIJE 2

PREZIME I IME: Ela Petrina Matini broj: 0082042751

Za potok Bliznec podsljemenske zone, dan na topografskoj karti mjerila 1:25000 u digitalnom obliku, poznata je oborina dana preko ITP krivulja podruja. Potrebno je izraditi hidroloko - hidrauliki model otjecanja s zadanog sliva u HEC HMS programskom paketu (HEC - HydrologicModelingCenter; HMS - HydrologicModelingSystem)

U OKVIRU PROGRAMA POTREBNO JE ODREDITI

I Definiciju i karakteristike slivnog podruja: a. granicu ukupnog slivog podruja (vododjelnicu) b. hidrografsku mreu c. definiciju podslivova (vododjelnicu i povrine) d. ukupno vrijeme koncentracije sliva vrijeme koncentracije podslivova prema metodi prof. Srebrenovia e. uz pomo podloga odrediti sve potrebne parametre za pripadne modele:

Model volumena otjecanja - SCS CN odrediti: CN - broj kie

Model direktnog otjecanja - SCS UH / Kinematiki val odrediti: vrijeme zakanjenja / pripadni parametri sliva

Model baznog otjecanja - Mjesena konstanta - zadano: 0,10 [m3/s]

Model teenja u vodotoku (propagacija vodnog vala) - Kinematiki val

odrediti: niz parametra koji definiraju karakteritike korita

II Definiciju hidrolokih parametara sliva a. zadati odgovarajuu projektnu oborinu uz pomo zadanih ITP krivulja tipa konstantnog intenziteta.

III Izraditi hidroloko - hidrauliki model otjecanja u HEC - HMS - u

a. izraditi hidrografski shemu b. unijeti sve prostorne parametre u model c. unijeti sve hidroloke parametre u model d. izraditi model kie za PP= 100 god

IV Odrediti ono trajanje kie koje daje najvee otjecanje s sliva a. izraditi hijetograme kie raznih trajanja za PP= 100 god

b. izraditi pripadajue hidrograme otjecanja c. nacrtati anvelopu vrnog otjecanja sa sliva d. definirati ono trajanje kie koje projicira maksimalno otjecanje sa sliva

V Analizirati i usporediti utjecaj metoda i parametara na rezultate modeliranja hidrolokih elemenata

zadano: predano dana:

bodovi programa:

asist. Kristina Potoki, dipl.ing.gra.



Sadraj:

1. Tehniki opis .................................................................................................................. 3

2. Definicije i karakteristike slivnog podruja....................................................................... 4

3. Metode prorauna .......................................................................................................... 8

3.1. Hidroloki parametri sliva...................................................................................8

3.2. Model volumena otjecanja SCS CN.............................................................10

3.3. Model direktnog otjecanja SCS jedinini

hidrogram.....................................122

3.4. Model baznog otjecanja mjesena konstanta...............................................17

4. Rezultati i zakljuak .......................................................................................................18

4.1. Primjeri izlaznih hidrograma iz HEC HMS-a 19

4.2. Anvelope vrnog otjecanja za PP50 39

5. Zakljuak .......................................................................................................................39

6. Dodatak .........................................................................................................................40



1. Tehniki opis

Cilj ovog programa je odrediti hidroloko hidrauliki model otjecanja sa zadanog sliva.

Zadan je sliv Bliznec lijevo, u Podsljemenskoj zoni. Topografija sliva dana je kartom mjerila

1:25000 u digitalnom obliku.

Hidroloko hidrauliki model otjecanja rjeavat emo pomou programskog paketa

HEC HMS 3.5 (HydrologicModeling Centar; HydrologicModeligSystem) kojeg je za vlastite

potrebe razvila amerika vojska. Pomou tog programskog paketa, modelirat emo direktno

otjecanje, bazno otjecanje, propagaciju vodnog vala u vodotoku te efektivnu oborinu.

U sklopu ovog programa, direktno otjecanje modelirali smo dvjema metodama: metodom

jedininog hidrograma i metodom kinematikog vala. Bazno otjecanje modelirano je kao

mjesena konstanta. Iznos baznog otjecanja zadano je s Qbazno = 0,10 [m3/s]. Propagacija

vodnog vala modelirana je metodom kinematikog vala, dok smo efektivnu oborinu modelirali

pomou metode SCS CN, gdje je CN broj krivulja otjecanja (CurveNumber).



2. Definicije i karakteristike slivnog podruja

Slika 1: Sliv Bliznec lijevo

Vododjelnica je na karti oznaena crvenom bojom, granice slivova oznaene su

naranastom bojom, a vodotoci slivova plavom bojom.

Prikaz fizikih karakteristika sliva Bliznec lijevo i njegova tri podsliva dan je u tablici:

Tablica 1: Fizike karakteristike sliva Bliznec lijevo i njegovih podslivova

Podsliv A (km2) O (km) U (km) K

1 6.20 16.04 3.68 0.2100

2 3.05 8.45 1.81 0.3987

3 4.17 13.53 2.96 0.2083

Bliznec lijevo 13.42 26.31 6.17 0.1652



A povrina sliva/podsliva [km2]

O opseg sliva/podsliva [km]

U udaljenost teita sliva/podsliva od izlaznog profila [km]

K koeficijent koncentriranosti sliva

Takoer smo za cijeli sliv i njegove podslivove odredili faktore oblika sliva.

Tablica 2: Faktori oblika sliva

Faktor oblika sliva

Rf Rf

Sliv 1 0.1174 0.4536

Sliv 2 0.249 0.4997

Sliv 3 0.119 0.4788

Cijeli sliv 0.0907 0.4084

Prema Hortonu, odredili smo hidrografsku mreu za cijeli sliv. Zakljuili smo da je

Bliznec lijevo vodotok etvrtog reda, to je vidljivo iz slike 2. Vodotok prvog reda je vodotok

koji nema pritoke. Spajanjem dva vodotoka prvog reda nastaje vodotok drugog reda.

Spajanjem dva vodotoka drugog reda nastaje vodotok treeg reda, a spajanjem dva

vodotoka treeg reda nastaje vodotok etvrtog reda to je ujedno i najvei red vodotoka na

slivu Bliznec lijevo. Takoer smo odredili faktore bifurkacije i odnos bifurkacije.

Tablica 3: Faktor bifurkacije itavog sliva

Faktor bifurkacije N1 N2 N3 N4

23 12 6 3

Tablica 4: Odnos bifurkacije sliva

Odnos bifurkacije RB

N1/N2 N2/N3 N3/N4

1.917 2.000 2.000



Slika 2: Hidrografska mrea sliva



Slika 3: Shema sliva iz HEC-HMS



3. Metode prorauna

3.1. Hidroloki parametri sliva

Hijetograme projektnih kia izradili smo metodom projektnog pljuska konstantnog,

prosjenog intenziteta. Intenzitet oborine dobivamo iz ITP krivulje koje dobivamo temeljem

tablinog prikaza funkcija jakih kia trajanja 24h na podruju Grada Zagreba za povratne

periode PP 10, PP 20, PP 50, PP 100 i PP 1000. Iz ITP krivulje moemo na temelju

povratnog perioda kia i trajanja kie oitati intenzitet kie. U zadatku smo oitali intenzitet

kie za zadani povratni period PP=100.

Slika 4: ITP krivulje

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

1.2000

1.4000

1.6000

1.8000

2.0000

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

i[m

m/m

in]

t [min]

ITP krivulje

PR 10

PR 20

PR 50

PR 100

PR 1000



Za potrebe ovog programa, izraene su oborine trajanja 30, 60, 120, 180, 240 minuta, s

vremenskim inkrementima od 10 minuta za povratni period PP=100. Prikaz podataka za

unos u program HEC-HMS dan je u sljedeim tablicama:

Tablice 5,6,7,8,9: Oborina konstantnog intenziteta u trajanju 30, 60 120, 180 i 240 min za

PP=100.

t mm

10 13.24

20 13.24

30 13.24

t = 30 min

t mm

10 8.52

20 8.52

30 8.52

40 8.52

50 8.52

60 8.52

t = 60 min

t mm

10 5.48

20 5.48

30 5.48

40 5.48

50 5.48

60 5.48

70 5.48

80 5.48

90 5.48

100 5.48

110 5.48

120 5.48

t = 120 min

t mm

10 4.24

20 4.24

30 4.24

40 4.24

50 4.24

60 4.24

70 4.24

80 4.24

90 4.24

100 4.24

110 4.24

120 4.24

130 4.24

140 4.24

150 4.24

160 4.24

170 4.24

180 4.24

t = 180 min

t mm

10 3.53

20 3.53

30 3.53

40 3.53

50 3.53

60 3.53

70 3.53

80 3.53

90 3.53

100 3.53

110 3.53

120 3.53

130 3.53

140 3.53

150 3.53

160 3.53

170 3.53

180 3.53

190 3.53

200 3.53

210 3.53

220 3.53

230 3.53

240 3.53

t = 240 min



3.2. Model volumena otjecanja SCS CN

SCS CN je metoda koju smo koristili za raunanje efektivne oborine, odnosno poetnih

gubitaka. Za tu metodu u HEC-HMS moramo unijeti podatak o CN broju za pojedini podsliv.

CN broj je faktor u izrazu iz kojeg HEC-HMS direktno rauna poetne gubitke, te u izrazu za

efektivnu oborinu. On ovisi o etiri parametra: vegetacijskom pokrovu, tipu tla, nainu obrade

zemljita i prethodnoj vlanosti. Oitava se iz tablica koje se mogu pronai u hidrolokim

prirunicima. U programskom zadatku se koristilo tlo tipa B i prosjena prethodna vlanost.

Povrinu podsliva podjelili smo prema tipu vegetacije kako je prikazano na slici 5.

Slika 5: Karta s CN povrinama



Tablica 10: CN broj za Podsliv 1

PODSLIV 1

Nain koritenja zemljita Tip tla CN A (m2) Postotak povrine CNxA

ume koje nisu uzgajane b 60 5516712 88.96% 53.4

Livade b 58 311658 5.03% 2.9

Oranice b 75 19774 0.32% 0.2

Urbano podruje b 90 352959 5.69% 5.1

6201103 100.00% 61.7


PODSLIV 2

Nain koritenja zemljita Tip tla CN A (m2) Postotak povrine

CNxA


Livade b 58 251001 8.24% 4.8

Oranice b 75 205704 6.75% 5.1

Urbano podruje b 90 443474 14.56% 13.1

3045971 100.00% 65.2


PODSLIV 3

Nain koritenja zemljita Tip tla CN A (m2) Postotak povrine

CNxA


Livade b 58 994263 24.41% 14.2

Oranice b 75 86586 2.13% 1.6

Urbano podruje b 90 1392730 34.19% 30.8

4072913 100.00% 70.1

Na temelju definiranih CN brojeva, odreujemo Peff preko publicirane formule. Peff = 3,573

mm.



3.3. Model direktnog otjecanja SCS jedinini hidrogram

3.3.1. SCS jedinini hidrogram

Za SCS JH metodu direktnog otjecanja potrebno je odrediti povrinu, opseg, udaljenost

teita od izlaznog profila, srednju nadmorsku visinu i nadmorsku visinu izlaznog profila za

svaki podsliv i sliv. Opseg, povrinu i udaljenost teita od izlaznog profila smo dali

prethodno u tablici 1. Da bismo odredili srednju nadmorsku visinu, potrebno je nacrtati

hipsometrijsku krivulju za sliv i podslivove. Hipsometrijska krivulja pokazuje nam koliki

postotak povrine se nalazi ispod, odnosno, iznad neke proizvoljne nadmorske visine.

Povratni period zadan je projektnim zadatkom i iznosi 100 godina. Visina srednje godinje

oborine za Bliznec lijevi iznosi 1132 mm, a koeficijent iznosi 2.

Slika 6: Hipsometrijska krivulja za cijeli sliv

150

250

350

450

550

650

750

850

950

1050

0% 50% 100%

H [

m.n

.m]

A [%]

Bliznec lijevo

Hipsometrijska krivulja

H0



Slika 7: Hipsometrijska krivulja za Podsliv 1


200250300350400450500550600650700750800850900950

10001050

0% 20% 40% 60% 80% 100%

H [

m.n

.m]

A [%]

Podsliv 1

Hipsometijska krivulja

H0

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0% 20% 40% 60% 80% 100%

H [

m.n

.m]

A [%]

Podsliv 2


H0




Srebrenovievom metodom odreujemo vrijeme koncentracije, tj. vrijeme potrebno

hidrauliki najudaljenijoj estici da dotee do izlaznog profila na slivu. Jednadba za

odreivanje vremena koncentracije po metodi profesora Srebrenovia:

43,057,0log5,1120

SPHt

s

s

;

31

6,2

S

Atv ; vsc ttT

L

HS

2 ; HHH 0

K

KAL

2;

OU

AK

2 ; tt lag 6,0

TC vrijeme koncentracije

koeficijent ovisan o karakteristikama terena

Hs visina prosjenih godinjih oborina [m],

P povratno razdoblje [god],

S pad sliva [m/km],

A povrina sliva (podsliva) [km2]

H srednja visinska razlika sliva[m.n.m]

H0srednja nadmorska visina sliva[m.n.m]

Hnadmorska visina izlaznog protjecajnog profila[m.n.m]

L dulja stranica fiktivnog pravokutnika ija je povrina jednaka povrini sliva[km]

Kkoeficijent koncentriranosti sliva

Oopseg sliva [km]

U-udaljenost teita sliva od izlaznog profila[km]

150

200

250

300

350

0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00%100.00%

H [

m.n

.m]

A [%]

Podsliv 3


H0



Tablica 13: Vrijeme koncentracije po Srebrenoviu

Podsliv Hmax (m) H (m) H0 (m) L (km) S t1 t2 tc tlag

1 1032 205 603.6 7.3 171.7 1.84 0.86 2.70 1.62

2 634 205 373.5 3.5 192.4 1.75 0.65 2.41 1.44

3 344 105 242.4 5.9 92.9 2.40 0.92 3.32 1.99

Cijeli sliv 1032 105 440.5 12.2 71.8 2.68 1.49 4.16 2.50

Takoer, za usporedbu smo proraunali i vrijeme koncentraciju po Kirpichu:

tc =0,00032L0,77S-0,385

Tablica 14: Vrijeme koncentracije po Kirpichu

Podsliv L0,77 S-0,385 tc

1 940.5 0.1379 0.041509

2 535.4 0.132 0.022620

3 802.9 0.1747 0.044881

Cijeli sliv 1397.9 0.1929 0.086287

Razlike u iznosu vremena koncentracije Tc po metodama Srebrenovi i Kirpich

nastaju radi koritenja razliitih parametara pri raunanju Tc. Kirpich ne uzima u obzir oblik

sliva, njegovu veliinu, niti vrsu ni obratenost tla koja se u Srebrenovievoj metodi uzima u

obzir parametrom . Iz toga je zakljuak da je Srebrenovieva metoda najpouzdanija za

izraun vremena koncentracije.

Nakon to smo dobili ove podatke mogli smo konstruirati jedinini hidrogram za cijeli sliv.

Slika 10: Jedinini hidrogram za cijeli sliv

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

0 2 4 6 8 10 12

Q [

m3

/s]

T [s]

SCS JH - cijeli sliv

SCS JH



3.3.2. Metoda kinematskog vala

Metoda slui za modeliranje teenja u vodotocima preko osnovnih jednadbi

nestacionarnog strujanja u otvorenim koritima (Saint-Venantove jednadbe), ali uz

odreene pretpostavke se koristi i za modeliranje direktnog otjecanja po slivnoj povrini.

Za modeliranje teenja po povrini se uvode pojednostavljenja odnosno slivno podruje

se definira kao otvoreno i vrlo iroko pravokutno korito jedinine debljine iji je dotok

jednak viku kie (efektivnoj kii).

K

AKl

2

K

KAL

2

l - kraa stranica fiktivnog pravokutnika ija je povrina jednaka povrini sliva [km]

L - dulja stranica fiktivnog pravokutnika ija je povrina jednaka povrini sliva [km]

S - srednji pad sliva popreno na vodotok [m/m]-Flow Planes

S - srednji pad sliva vodotoka [m/m]-Main Channel

N - faktor hrapavosti slivne povrine

Nain odreivanja N broja sastoji se od dijeljenja sliva na karakteristina podruja

(livade, ume, panjaci), odreivanjem povrina istih te oitavanjem vrijednosti N broja

za svako karakteristino podruje. Pomnoimo N broj za svako karakteristino poruje s

pripadajuim postotkom povrine i sve rezultate zbrojimo kako bi dobili jedinstveni N broj

za cijeli sliv.

Tablica 15: N broj za cijeli sliv

SLIV

Nain koritenja zemljita Tip tla N A (m2) Postotak povrine NxA

ume koje nisu uzgajane b 0.6 9188491 68.98% 0.4

Livade b 0.2 1581370 11.87% 0.0

Oranice b 0.1 336513 2.53% 0.0

Urbano podruje b 0.011 2213613 16.62% 0.0

13319987 100.00% 0.4



Tablica 16: N broj za Podsliv 1

PODSLIV 1



Livade b 0.2 311658 5.03% 0.0

Oranice b 0.1 19774 0.32% 0.0

Urbano podruje b 0.011 352959 5.69% 0.0

6201103 100.00% 0.5


PODSLIV 2



Livade b 0.2 251001 8.24% 0.0

Oranice b 0.1 205704 6.75% 0.0

Urbano podruje b 0.011 443474 14.56% 0.0

3045971 100.00% 0.4


PODSLIV 3



Livade b 0.2 994263 24.41% 0.0

Oranice b 0.1 86586 2.13% 0.0

Urbano podruje b 0.011 1392730 34.19% 0.0

4072913 100.00% 0.3

3.4. Model baznog otjecanja mjesena konstanta

Bitan dio hidrolokog ciklusa je otjecanje. To je proces kod kojeg oborina, nakon svih

gubitaka, podzemnim ili povrinskim putem dospijeva do izlaznog profila sliva. Stoga,

otjecanje dijelimo na direktno (brzo; odvija se po povrini sliva) i bazno (temeljno) otjecanje

koje se odvija ispod povrine terena.

U projektnom zadatku zadana nam je konstantna mjesena vrijednost baznog otjecanja:

Qbazno=0,15[m3/s].



4. Rezultati i zakljuak

Slika 11: Shema sliva u HEC HMS-u



4.4. Primjeri izlaznih hidrograma iz HEC HMS-a

Prikazati emo rezultate za povratni period od 100 godina za kie trajanja 30, 60, 120,

180, 240 minuta za podsliv 1, 2, 3; za izlazni profil ( vor 2).

Rezultati za trajanje 30 minuta

Rezultati za podsliv 1:

Dijagram 1: Hidrogram za podsliv 1



Rezultati na izlaznom profilu:

Dijagram 5: Hidrogram na izlaznom profilu




Dijagram 8: Hidrogram za izlazni profil





Na izlaznom profilu (vor 2 u HEC HMS shemi) prikazat e se hidrogrami ukupnog

otjecanja za projektne kie povratnog perioda 100 godina, razliitih trajanja. Na temelju tih

hidrograma otjecanja, odredit e se anvelopa vrnog otjecanja te u konanici, kritino vrijeme

trajanja kie koje daje Qmax zadanog povratnog perioda na analiziranom slivu.



4.5. Anvelope vrnog otjecanja za PP100

Slika 12: hidrogrami ukupnog otjecanja na izlaznom profilu kojeg uzrokuju kie razliitog

trajanja PP100

Slika 13: Krivulja vrnog otjecanja dobivena na temelju 4 toke

Pomou unesenih podataka HEC HMS je SCS UH i Kinematic Wave metodom proraunao

hidrograme otjecanja projektne kie. U anvelopi hidrograma otjecanja nalazi se skup svih

projektnih kia pomou kojih se izrauje krivulja vrnog otjecanja sa sliva. Njena maksimalna

vrijednost definira kritinu kiu za odabrani povratni period. Prikazani hidrogrami su sa

kontrolnog vodotoka na kraju sliva.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700

Q [

m/s]

t [min]

Anvelopa hidrograma

t30

t60

t120

t180

t240

10

15

20

25

30

35

40

45

50

100 150 200 250 300

Q [

m/

s]

t [min]

Krivulja vrnog protoka

Krivulja vrnog protoka



5. Zakljuak

Iz Slike 12 i Slike 13 zakljuujemo da je kritino trajanje kie T = 240 minuta. Kia trajanja

240 minuta i povratnog perioda 100 godina uzrokuje pojavu maksimalnog otjecanja na

analiziranom slivu, a to maksimalno otjecanje iznosi Qmax = [45,8 m3/s].

6. Dodatak

4. Pitanje

Kako e utjecati na rezultate otjecanja (Qmax, V) sa jednog podsliva : A) poveanje CN broja za 10? B) smanjenje CN broja za 10?

Svi drugi ulazni parametri u modelu su konstantni.

Slika 14: Razlika hidrograma

Kada se CN broj na podslivu 1 povea za 10, hidrogram kie trajanja 30 minuta imati

e vei maksimalni protok Qmax=26.7 m3/s, a vrni protok javiti e se kasnije. Kada se smanji

CN broj na podslivu 1 za 10, hidrogram kie trajanja 30 minuta imati e manji maksimalni

protok Qmax=1.8 m3/s, koji e se javiti istovremeno kao i kod prvotnog CN broja. Odnosno,

kod poveanja CN broja, kroz podsliv 1 proi e vei volumen vode,a kod smanjenja CN

broja proi podslivom 1 proi e manji volumen vode.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400 500 600 700

Q [

m/s]

t [min]

Hidrogrami t=30 min

t30

t30-veci CN

t30-CN manji



8. Na jednoj slivnoj plohi za metodu kinematikog vala:

A) poveajte njen nagib za 15%;

B) smanjite njen nagib za 15% i komentirajte kako to utjee na rezultate otjecanja sa sliva.

Slika 15: Razlika hidrograma

Kada se povea nagib slivne plohe za kiu trajanja 240, oblik vala i dalje je isti, no

maksimalni protok neto je manji Qmax=44.4 m3/s. Kada se smanji nagib slivne plohe oblik

vala je takoer isti, a maksimalni protok je manji Qmax=43.5 m3/s

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500 600 700

Q [

m/s]

t [min]

Promjena slope

t240-smanjeno

t240-poveano

t240

page1

Documents

Hidrologija 2