M. NEKREP- PERC, doc. dr. J. KRAMER, G. PODLOGAR,red. prof. dr. R. JECL

- 164 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011

Matjaž NEKREP PERC* doc. dr. Janja KRAMER* Gregor PODLOGAR* red. prof. dr. Renata JECL*

PROGNOZA IN BILANCA TRANSPORTA LEBDEČIH PLAVIN V REKI DRAVI IN MURI

POVZETEK

V prispevku je predstavljena prognoza in letna bilanca transporta suspendiranih sedimentov na izbranih prečnih profilih rek Drave in Mure. Kot izhodišče služijo hidrološki podatki rek, ki se pridobivajo s kontinuirnimi meritvami pretokov z uporabo akustičnega Dopplerjevega merilnika pretokov in sočasnim odvzemom vzorcev vode, na podlagi katerih se v laboratoriju določi količina in vrsta sedimentov v trenutku meritve. Raziskave potekajo v okviru aktivnosti mednarodnega projekta DRA-MUR-CI, in sicer delovnega paketa 3, ki se nanaša na področje transporta sedimetov v rekah. Koncentracija lebdečih plavin po celotnem izbranem profilu (c) se prognozira na podlagi znanega trenutnega pretoka (Q) v geometrijsko določenem profilu struge, izmerjene konfiguracije dna, površine prečnega prereza v izbranem času in izmerjenimi vektorji hitrosti v posameznih točkah profila ter istočasno izmerjeno koncentracijo suspendiranih delcev v izbranih točkah profila. Na podlagi izmerjenih parametrov se simulira Q/c krivulja, s pomočjo katere se lahko z znanim časovno odvisnim pretokom Q(t), določi letna bilanca transporta suspendiranih delcev, v nadaljevanju pa s primerjavo letnih trendov pretoka še statistično prognozira transport suspendiranega materiala skozi izbran profil reke.

UVOD

Simulacija rečnega toka in sočasno modeliranje transporta sedimentov v vodotokih je v zadnjem času predmet številnih raziskav in študij strokovnjakov s področja hidrologije, kot tudi geomehanike. Dinamiki gibanja sedimentov v vodotoku se ponavadi sledi s spremljanjem pretoka v izbranem prečnem profilu in sočasnim merjenjem količine suspendiranega materiala v vzorcih vode. Na Fakulteti za gradbeništvo Univerze v Mariboru smo od leta 2009 vključeni v aktivnosti mednarodnega projekta DRA-MUR-CI, na katerem poleg samega vodenja prevzemamo del raziskav povezanih s transportom sedimentov na rekah Dravi in Muri. Glavni cilj monitoringa suspendiranih delcev je izboljšati znanje s področja transporta sedimentov in kalibracija obstoječih oziroma vzpostavitev novih modelov lebdečih plavin za obe reki. Aktivnosti raziskav v okviru projekta se delijo v dva večja sklopa, pri čemer se prvi nanaša na pridobivanje podatkov o pretoku, geometriji struge ter količini in vrsti plavin, v drugem delu pa sledi podrobna hidrodinamična analiza, kjer se simulirajo tokovnice obravnavanih odsekov rek v povezavi s predvidenim transportom suspendiranih sedimentov. Pričakovani neposredni učinki monitoringa suspendiranih delcev so naslednji:

- mreža merilnih mest suspendiranih sedimentov, - bilanca transporta suspendiranih sedimentov za obdobje 3 do 4 let, - simulacija količin suspendiranih sedimentov.

V prvem obdobju trajanja projekta so bile aktivnosti osredotočene predvsem na pridobivanje hidroloških podatkov obeh rek. Na začetku se je vzpostavila mreža merilnih mest, in sicer na reki Dravi na odseku od Villacha v sosednji Avstriji do meje s Hrvaško, na reki Muri pa na odseku med Gornjo Radgono in krajem Mele. Na izbranih profili obeh rek se tako od leta 2009 izvajajo kontinuirne meritve pretokov, hkrati pa se odvzemajo vzorci vode, na podlagi katerih se kasneje v laboratoriju določi količina in vrsta lebdečih plavin. Natančen opis poteka meritev z uporabo akustičnega Dopplerjevega * Matjaž Nekrep Perc, univ. dipl. inž. gradb., doc. dr. Janja KRAMER, univ. dipl. inž. gradb., Gregor PODLOGAR, univ. dipl. gosp. inž., red. prof. dr. Renara Jecl, univ. dipl. inž. gradb., Univerza v Mariboru, Fakulteta za gradbeništvo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor

Matjaž NEKREP PERC, doc. dr. J. KRAMER, G. PODLOGAR,red. prof. dr. R. JECL

- 165 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011

merilnika pretokov (ADMP), odvzema vzorcev vode in nekateri preliminarni rezultati raziskave, so že bili opisani in predstavljeni na tem srečanju v lanskem letu [1].

Prispevek je razdeljen na dva dela. V prvem delu so opisane metode pridobivanja podatkov, temu pa sledi predstavitev in analiza rezultatov v obliki preliminarne bilance in simulacije transporta suspendiranih delcev na enem izmed izbranih profilov na reki Dravi.

IZBOR MERILNIH PROFILOV

Pred pričetkom izvajanja meritev je bilo potrebno na rekah Dravi in Muri določiti mrežo merilnih mest, kjer se bo ugotavljala količina suspendiranega materiala in sočasno določale hidrološke karateristike vodotokov. Merilno mesto se smiselno določi na strateško pomembni točki, kot npr. predviden nov hidrotehnični objekt ali večji pritok, ki bistveno vpliva na nadaljnji tok reke in posledično transport sedimentov. Na reki Dravi je bilo prvo merilno mesto izbrano na območju pritoka Šturmovega potoka, v bližini hidroelektrarne Fala. Na tem območju je v bližnji prihodnosti načrtovana črpalna hidroelektrarna Kozjak, zato je pomembno, da se natančno ugotovi, kakšne so količine suspendiranega materiala, saj bo to neposredno vplivalo na delovanje črpališča. Ravno tako pritok Šturmovega potoka doprinese k povečanju količine lebdečih plavin. Drugo merilno mesto na reki Dravi se je določilo na stari strugi reke Drave v kraju Borl. Tam se že nahaja avtomatska vodomerna postaja, postavljena s strani Agencije Republike Slovenije za okolje (ARSO), kjer se kontinuirno beležijo podatki o urnemu pretoku. Pretoki na tem delu so izjemno nizki, saj je večina vode preusmerjena v umetni kanal za potrebe obratovanja hidroelektrarne Formin. Zanimalo nas je, koliko suspendiranega materiala se preusmeri v staro strugo. Zaradi težavnega dostopa in nizkega vodostaja, je bila meritev zelo zahtevna, posledično pa so bili rezultati nenatančni in premalo reprezentativni. Zato se je profil prestavil v kraj Zavrč (4km dolvodno), v bližini meje s Hrvaško. Po nekajkratnih meritvah, so rezultati pokazali vedno konstanten, izjemno nizek pretok, ravno tako je ostajala konstantna količina suspendiranih sedimentov, zato se je opustil tudi ta profil. Nov profil se je izbral tik za sotočjem stare in umetne struge na Ptuju, kjer se v bližini tudi nahaja avtomatska vodomerna postaja. Na reki Muri se je merilno mesto najprej določilo v kraju Mele, v bližini Gornje Radgone. Težaven dostop, visoke hitrosti vodotoka in hkrati zelo nizek vodostaj je botroval k slabim rezultatom z veliko absolutno napako, ki niso odražali dejanskega stanja. Zato se je poiskal nov profil v Vranjem vrhu, kjer meritev poteka s tamkajšnjega broda. Tu pridobljeni rezultati so zelo natančni, saj je dostop do merilnega mesta boljši, hkrati pa so omogočene tudi meritve pri nekoliko višjih pretokih. V primeru zelo visokega pretoka, ko je plovba po reki Muri onemogočena, se vzamejo vzorci vode z mosta v Gornji Radgoni. Ker je tam nameščena tudi avtomatska vodomerna postaja, podatke o trenutnem pretoku pridobimo od tam.

METODE PRIDOBIVANJA PODATKOV

Pri pridobivanju potrebnih podatkov za kasnejšo hidrodinamično analizo medsebojno sodelujejo raziskovalci iz treh področij, in sicer geodezije, hidrotehnike in geomehanike. Hidrološki podatki o vodotoku se pridobijo z uporabo akustičnega Dopplerjevega merilnika pretokov (ADMP), s katerim med drugim pridobimo natančne podatke o:

• velikosti in smereh vektorjev hitrosti, • površina prečnega prereza struge, • pretoku, • konfiguraciji dna, • temperaturi. 

Merilnik omogoča tudi sočasno uporabo sodobne GNSS tehnologije, s katero vsako meritev natančno lociramo v prostor. Sama geodetska metoda merjenja temelji na globalnem navigacijskem satelitskem sistemu, kjer se točen položaj na površju zemlje določi s pomočjo signalov satelitov. V času hidroloških meritev se za potrebe ugotavljanja količine in vrste suspendiranih delcev v vodotokih odvzemajo vzorci vode, iz katerih se nato v laboratoriju izločajo trdne snovi. Analizira se njihova količina, na posameznih reprezentativnih vzorcih pa tudi velikost delcev ter mineralna in

M. NEKREP- PERC, doc. dr. J. KRAMER, G. PODLOGAR,red. prof. dr. R. JECL

- 166 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011

kemična sestava. V izbranih prerezih rek se vzorci vode odvzemajo v treh profilih in sicer v bližini levega in desnega brega ter sredini, s površine in/ali različnih globin. Vsak vzorec vsebuje najmanj 10 l vode, kar je precej več kot zahteva standardizirana metoda določitve koncentracij suspendiranih materialov. Zaradi večjih količin vode pri vzorčanju so meritve vsebnosti suspendiranih delcev bolj zanesljive, istočasno pa večje količine izločenega materiala omogočajo njegove nadaljnje preiskave kot so določanje velikosti in sestave delcev. Vzorci vode se odvzemajo hkrati s snemanjem izbranega profila reke, po možnosti iz čolna (npr. na reki Dravi na profilu Šturmov potok) ali iz broda (na reki Mura v Vranjem vrhu) ali z mostu, kjer drugačen dostop ni omogočen (na reki Muri v Gornji Radgoni in v času visokih pretokov na reki Dravi na Ptuju). Izločanje suspendiranih delcev iz vode poteka v laboratoriju po sledečem postopku:

1. vzorci mirujejo vsaj nekaj dni oziroma toliko časa, da se suspendiran material usede na dno posode,

2. odlije se del vode, ki ne sme vsebovati nobenih delcev, 3. postopka pod točko 1. in 2. se večkrat ponovita, vzorci pa se premeščajo v manjše posode,

kot je prikazano na sliki 1, 4. v zadnji fazi se preostanek vode izloči z izparevanjem, 5. na osnovi mase izločenih delcev in količine odvzete vode se izračuna koncentracija

suspendiranega materiala v vodi.

Slika 1: Izločanje suspendiranega materiala iz vode z izparevanjem.

REZULTATI MERITEV

Prikazani bodo nekateri rezultati meritev izbranega profila na reki Dravi, in sicer na območju Šturmovega potoka v neposredni bližini hidroelektrarne Fala. Z merivami smo poskušali zajeti najbolj ekstremne pogoje in sicer nizek, kot tudi ekstremno visok pretok. Ker meritev in odvzem vzorcev na tem profilu opravljamo iz čolna, smo zaradi varnosti plovbe omejeni na maksimalni pretok 500 m3/s. Nekaj rezultatov hidroloških meritev v obdobju od oktobra 2009 do marca 2011 je zbranih v tabeli 1. Z meritvami smo zajeli vrednosti pretokov med 168,726 m3/s in 555,801 m3/s, na podlagi katerih smo lahko kasneje primerjali spreminjanje koncentracije vsebnosti suspendiranih sedimentov.

DRAVA - Šturm Datum 14.10.2009 14.01.2010 20.04.2010 17.6.2010 16.9.2010 31.1.2011 22.3.2011

Q (m³/s) 441,347 314,285 188,319 555,801 428,936 312,399 168,726

T (°C) 12,8 3,36 10,89 16,71 15,18 3,55 7,77

Max. globina (m) 6,47 6,04 5,74 6,52 6,00 5,75 6,33

Hitrost (m/s) 0,794 0,615 0,406 0,946 0,779 0,524 0,662

Površina (m²) 586,36 534,58 519,51 626,14 566,33 579,23 562,01

Tabela 1: Hidrološki rezultati meritev Šturmov potok

Matjaž NEKREP PERC, doc. dr. J. KRAMER, G. PODLOGAR,red. prof. dr. R. JECL

- 167 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011

Mesta odvzemov vzorcev vode za določanje količine sedimentov so prikazana na sliki 2. Količine izmerjenih sedimentov v g/l pri posamezni meritvi v obdobju od oktobra 2009 do marca 2011 so podane v tabeli 2. Na vseh treh mestih (P1 v bližini leve brežine, P2 v sredini in P3 v bližini desne brežine) so se odvzemali vzorci na več različnih globinah, in sicer na povšini, globini 2m ter globini 4m. Primerjava količine izmerjenih sedimentov na različnih globinah ni pokazala večjih razlik, zato v tabeli vrednosti po posameznih globinah niso ločeno navedene.

Slika 2: Hitrostni profil reke Drave na območju Šturmovega potoka z označenimi mesti odvzema vzorcev vode

DRAVA - Šturm Datum 14.10.2009 14.01.2010 20.04.2010 17.6.2010 16.9.2010 31.1.2011 22.3.2011

Lokacija Koncentracija suspendiranega materiala (g/l) P-1, 2m P-1, 0m 0,012 0,004 0,004 0,054 0,017 0,005 0,006

P-1, 4m P-1, 1m 0,012 0,003 0,003 0,040 0,013 0,001 0,005

P-2, 2m P-2, 0m 0,014 0,004 0,004 0,053 0,016 0,003 0,005

P-2, 4m P-2, 1m 0,012 0,004 0,004 0,054 0,015 0,001 0,005

P-3, 2m P-3, 0m 0,011 0,004 0,003 0,050 0,015 0,001 0,005

P-3, 4m P-3, 1m 0,014 0,005 0,004 0,049 0,015 0,003 0,007

Tabela 2: Rezultati meritev koncentracij suspendiranega materiala.

Iz rezultatov lahko razberemo, da so izrazito večje količine sedimentov izmerjene na dan 17.6.2010, ko je pretok znašal 555,801 m3/s. Vsi pridobljeni rezultati služijo za nadaljnjo analizo, kjer se najprej postavi groba prognoza suspendiranega materiala, temu pa bo sledil čim bolj reprezentativni model transporta lebdečih plavin za oba vodotoka.

PROGNOZA SUSPENDIRANEGA MATERIALA

Na podlagi inovativnega modela transporta suspendiranih sedimentov in merjenih ter zgodovinskih podatkov o pretokih rek smo pripravili preliminarno bilanco in simulacijo količin lebdečih plavin - suspendiranih delcev na Dravi (v profilih Šturmov potok in Ptuj) in Muri (v profilu Vranji vrh). Rezultati, ki so še v raziskovalni fazi in jih bomo s povečevanjem števila meritev še izboljševali, že kažejo pričakovane vrednosti. Transport suspediranih sedimentov v izbranem prečnem profilu vodotoka ali jezera (naravnega ali akumulacijskega) lahko prognoziramo na podlagi pridobljenih hidroloških podatkov ter podatkih o količini in vrsti sedimentov. Če poznamo pretok vode (Q) v geometrijsko določenem prečnem profilu

M. NEKREPG. PODLOG

22. MIŠI

(F), z izmvektorji h(c) suspekoncentrobmočju

Sl

Z zprog200delcbilaso o

Sli

P- PERC, doc. dGAR,red. prof. d

ČEV VODAR

merjeno konhitrosti (v) in endiranih deracijo c po cu Šturmovega

ika 3: Simula

nano funkcijgramom dolo

09 prikazanocev, kar je pnc v obdobjuobjavljeni na

ika 4: Simula

dr. J. KRAMER, dr. R. JECL

RSKI DAN 2

nfiguracijo dnsmermi (s) v

elcev v izbracelotnem proa potoka prik

acija diagram

o Q/c in določimo oceno

o na sliki 4. prikazano na u 2005 do 20spletnih stra

acija urnih vr

011

na (S) in povvode v posamnih točkah (j

ofilu in simulikazan na slik

ma pretok/kon

očenim časoo urnih vredNadalje lahsliki 5 za ob

008 smo povaneh ter iz po

ednosti količ

- 168 -

vršino vodotmeznih točkaj) profila, lahiramo diagra

ki 3.

ncentracija spotok na D

ovno odvisnnosti količin

hko določimobdobje od levzeli iz arhivsoročila [2].

čin suspendir

za leto 20

UPRAVLJ

toka (P) v izah (i) ter istočhko z zgoraj am Q/c, ki je

suspendiraniDravi

im pretokomsuspendiran

o letno bilaneta 2005 do skih podatko

ranih delcev 009

AKTUALNI PJANJA Z VODA

zbranem časčasno določepodanim mo

e za primer p

h delcev (Q/

m Q(t) lahko nih sedimennco (B) trans2010. Podat

ov Agencije z

za profil Štu

PROJEKTI S POAMI IN UREJAN

u (t) in z izmenimi koncenodelom progprofila reke

C) za profil Š

s posebno intov, kot je tsporta susptke za izdelaza okolje in p

rmov potok n

ODROČJANJA VODA

merjenimi ntracijami noziramo Drave na

Šturmov

izdelanim o za leto endiranih avo letnih prostor, ki

na Dravi

Matjaž NEKREP PERC, doc. dr. J. KRAMER, G. PODLOGAR,red. prof. dr. R. JECL

- 169 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011

Slika 5: Bilanca transporta suspendiranih delcev od leta 2005 do 2010 v profilu Šturmov potok na Dravi

M. NEKREPG. PODLOG

22. MIŠI

S pmat

Slika

ZAKLJ

V prispmednarosedimengeodezijsuspendv območrazličnih osredotozajeti še

VIRI

[1] R. Jeza an

[2] L. Tra

Kojc, der Komp

P- PERC, doc. dGAR,red. prof. d

ČEV VODAR

primerjavo leteriala skozi

6: Primerjav

JUČEK

pevku so podnem projentov v rekah e in geome

diranih sedimčju Šturmove

območjih očeno predvs

bolj ekstrem

ecl, J. Kramenalizo lebdeč

auner, B. DoB. Žlender, Kraftwerksn

petenznetzw

dr. J. KRAMER, dr. R. JECL

RSKI DAN 2

etnih trendovizbrani profil

va letnih tren

predstavljeni ktu DRA-MUDravi in Mur

ehanike. Prementov na enega potoka. Preke Dravesem na nad

mne pogoje (z

er, G. Podlogčih plavin v re

olinar, R. KamI. Čuš. Was

nutzung imwerk Wasserr

011

v pretoka Q F, kar je prik

dov transporŠturm

nekateri UR-CI, ki se ri. Metode deedstavljena jnem izmed izPodobna anae in Mure. aljnje modelzlasti višje vr

gar, Uporabaekah, 21. Miš

mnik, J. Kramsser im Kraft

m Hochgebiresourcen Gm

- 170 -

Q se statistikazano na s

rta suspendirmov potok na

preliminarni nanašajo na

ela, ki se jih je analiza,

zbranih profilaliza se opraRaziskave

liranje, hkratrednosti pret

a akustičnegašičev vodars

mer, B. Macftwerks- und irge : finambH; Maribo

UPRAVLJ

čno prognozliki 6.

ranih delcev a Dravi

rezlutati da sklop merposlužujemopreliminara ov na reki D

avlja tudi na ose bodo n

ti pa se bo ztokov), s čim

a Dopplerejeki dan, 2010

cuh, M. NekreTunnelbau. al report,

or: Faculty of

AKTUALNI PJANJA Z VODA

zira transpo

od leta 2005

dosedaj opitev in modeo posegajo vbilanca in

Dravi, in sicerostalih profilinadaljevale, z dodatnimi er se bo mod

evega meriln0.

ep, E. ŠketeArea 4, Proj01.07.2008

f Civil Engine

PROJEKTI S POAMI IN UREJAN

ort suspendir

5 do 2010 v p

ravljenega eliranje suspv področja hisimulacija trr na merjeneh, ki so bili izpri čemer meritvami p

del lažje kali

nika pretokov

elj, S. Škrabl,oject 4.3, Op8-31.12.2009eering, 2010.

ODROČJANJA VODA

rananega

profilu

dela na endiranih drologije, ransporta em profilu zbrani na bo delo

poskušalo briral.

v (ADMP)

, H. Vrecl timierung

9. Graz: .