Modelowanie hydrologiczne i hydrauliczne

Modelowanie hydrodynamiczne jest wykorzystywane w HydroBIM przy projektowaniu rozwiązań w zadaniach branży hydrotechnicznej.

Przedstawimy metodykę, jaką wykorzystujemy z wykorzystaniem zaawansowanych metod numerycznych dla obliczeń świateł mostów. 

Światło mostu

 Określenie światła mostu, czyli wolnej przestrzeni pomiędzy najniższym punktem konstrukcji mostu a powierzchnią wody (lub inną przeszkodą znajdującą się pod mostem), jest niezbędne z kilku ważnych powodów:

• Prawidłowo zaprojektowane światło mostu pozwala na swobodny przepływ wody w przypadku wzrostu poziomu wody podczas powodzi. Odpowiednia przepustowość zmniejsza ryzyko podtopień i innych szkód wodnych zarówno w rejonie mostu, jak i w dalszych odcinkach rzeki.
• Właściwe określenie i utrzymanie światła mostu jest ważne dla długotrwałości i trwałości samej konstrukcji mostowej.
• Odpowiednie światło mostu wpływa także na środowisko naturalne, zapewniając odpowiednie warunki dla życia wodnego oraz utrzymanie naturalnego krajobrazu i ekosystemu.

Do określenia świateł mostów i przepustów wykorzystujemy m. in. modelowanie hydrologiczne i hydrauliczne. 

Oto przykład obliczeń dla obiektu mostowego, w ciągu jednej z dróg ekspresowych w Polsce. 

Modelowanie hydrologiczne z wykorzystaniem SCALGO i HEC-HMS

Aby prawidłowo dobrać światło mostu, w pierwszej kolejności wykonujemy obliczenia hydrologiczne i wyznaczamy miarodajny hydrogram odpływu. Do obliczeń wykorzystujemy program HEC-HMS, autorstwa Hydrologic Engineering Center US Army Corps of Engineers.

Oprogramowanie to umożliwia analizę różnorodnych zagadnień hydrologicznych, takich jak analizy powodziowe, obliczenia przepływów, symulacje systemów retencji wodnej oraz oceny skutków zmian w zlewni. 

W programie HEC-HMS tworzymy model hydrologiczny na bazie:

• numerycznego modelu terenu,
• bazy danych o terenie,
• danych opadowych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej,
• cyfrowego modelu projektowanych obiektów.

Wstępną analizę spływów powierzchniowych, na podstawie której przygotowujemy dane do modelu hydrologicznego, wykonujemy w programie Scalgo. 

Analiza spływów powierzchniowych ze SCALGO Live

SCALGO Live to platforma internetowa, pozwalająca m.in. na natychmiastowe wyznaczenie zlewni dla dowolnego położenia, w oparciu o najbardziej aktualne dane NMT (wysokościowe). Ważną cechą SCALGO jest opcja wskazania miejsc akumulacji  spływu powierzchniowego na skutek intensywnych opadów deszczu. 

W HydroBIM oprogramowanie SCALGO z powodzeniem wykorzystujemy do projektów infrastrukturalnych, planowania gospodarki wodnej i planowania przestrzennego – gdzie analizowany jest np. wpływ liniowej bariery terenowej (lub różne jej warianty) na ciągłość zlewni, jak również do planowania rozwiązań odwadniających lub retencjonujących.

W analizowanym przypadku, na podstawie wprowadzonego numerycznego modelu projektowanej drogi wyznaczona została zlewnia cieku. To pozwoliło  potwierdzić prawidłową lokalizację obiektu mostowego.

W programie SCALGO, dzięki możliwości włączenia warstw wms z danymi o terenie takimi jak

• mapa hydrograficznego podziału Polski, 
• mapa zagrożenia powodziowego, 
• mapa ewidencyjna gruntów i budynków,
• mapa z formami ochrony przyrody, 
• baza danych o terenie,

w szybki sposób sprawdzone zostały uwarunkowania techniczno – środowiskowe, które są niezbędne dla opracowania obliczeń hydrologiczno – hydraulicznych oraz do dalszych prac projektowych. 

Model hydrologiczny w HEC-HMS

Po wykonaniu wstępnej analizy obiektu mostowego w programie Scalgo pobraliśmy dane do zbudowania modelu w programie HEC-HMS. 

Oprogramowanie HEC HMS oferuje kilka metod transformacji opadu w odpływ. W analizowanym zadaniu wykorzystaliśmy jedną z najbardziej popularnych, SCS Curve Number Method.

Parametry do modelu wyznaczyliśmy na podstawie analizy przestrzennej numerycznego modelu terenu.

Po wprowadzeniu warunków brzegowych przeprowadziliśmy symulację. W wyniku obliczeń powstał hydrogram odpływu, który został wprowadzony w modelu hydraulicznym.

Modelowanie hydrauliczne 2D

Dobór parametrów mostu wykonaliśmy z wykorzystaniem programu HEC-RAS 6.5 2D (Hydraulic Engineering Center’s River Analysis System).  

HEC-RAS 2D to program do analizy i modelowania koryt otwartych, firmowany przez U.S. Army Corps of Engineers. Pozwala na przeprowadzanie symulacji jednowymiarowych (1D) oraz dwuwymiarowych (2D) zjawisk hydraulicznych, takich jak przepływ wody przez rzeki, kanały, czy obszary zalewowe. 

Wersja 2D umożliwia modelowanie przepływu wody w płaszczyźnie poziomej. Jest to szczególnie przydatne przy analizie obszarów zalewowych i złożonych sieci rzecznych.

Do reprezentowanie geometrii terenu i przepływu wody HEC-RAS 2D wykorzystuje tzw. „mesh”, czyli siatkę obliczeniową. Wykorzystując dane o wysokości terenu i rozmieszczeniu elementów krajobrazu, takich jak wały przeciwpowodziowe, budowle hydrotechniczne czy nasypy drogowe, model pozwala precyzyjnie przewidywać, jak woda będzie się zachowywać podczas różnych scenariuszy przepływu.

Tworzenie modelu 2D w programie HEC-RAS 2D obejmuje kilka kluczowych etapów, które pozwalają na efektywne modelowanie przepływów i analizę zalewania. Oto kroki w procesie tworzenia modelu 2D:

Pozyskanie danych wysokościowych

pierwszym krokiem jest zebranie danych o topografii terenu. Zwykle obejmuje  to cyfrowe modele terenu (NMT) oraz inne geoprzestrzenne dane wektorowe takie jak wały przeciwpowodziowe, drogi, budowle hydrotechniczne itp.

Tworzenie modelu terenu. 

w RAS Mapper, poprzez import i przetworzenie danych wysokościowych do formatu, który można użyć w HEC-RAS, budowany jest model terenu. Tworzona jest siatka obliczeniowa oraz wprowadzane są niezbędne modyfikacje, aby dostosować siatkę do specyficznych wymagań modelu, jak na przykład definiowanie granic obszarów.

Definiowanie obszarów 2D Flow Areas.

W tej fazie określamy , które obszary na mapie będą modelowane jako dwuwymiarowe przepływy. Obejmuje to określenie granic tych obszarów i ustawienie parametrów takich jak wymiar oczek siatki. Określamy warunki brzegowe. Jako górny warunek wprowadzany jest hydrogram odpływu wyznaczony w modelu hydrologicznym. Jako dolny warunek przyjmuje się spadek zlewni.

Wprowadzenie do modelu obiektu mostowego

Obiekty liniowe, takie jak mosty i przepusty, wprowadzamy do modelu 2D za pomocą SA/2D Connections. 

W edytorze geometrycznym wprowadzamy parametry obiektu, takie jak szerokość i wysokość światła, współczynniki szorstkości w rejonie obiektu.

Wprowadzenie danych hydrologicznych

Następnie w modelu wprowadzamy dane hydrologiczne, takie jak przepływy niestacjonarne w postaci hydrogramu odpływu, opady czy dane o przepustowości mostów i koryt rzecznych. Te dane są używane do symulacji różnych scenariuszy hydrologicznych.

Zdefiniowanie warunków brzegowych w modelu 2D jest konieczne, aby kontrolować przepływ wody w modelu. W kolejnym kroku określamy rodzaj modelu matematycznego, który wykorzystujemy do symulacji przepływu wody. 

Symulacje i analiza wyników

Po skonfigurowaniu modelu przeprowadzamy symulacje dla różnych scenariuszy hydrologicznych:

• Stanu istniejącego
• Stanu projektowanego 

Program HEC-RAS umożliwia analizę wyników w formie map zalewowych, wykresów głębokości wody, prędkości przepływu i innych kluczowych zmiennych.

Ostatnim etapem jest przygotowanie raportów i map wynikowych, na podstawie których analizowane są parametry planowanego obiektu. W przypadku stwierdzenia nieodpowiednich wyników w postaci np. spiętrzania wód przed obiektem, wprowadzane są korekty. Symulacje powtarzane są do uzyskania najbardziej optymalnych parametrów planowanego obiektu. 

Tabelaryczne zestawienie wyników dla przekroju obiektu mostowego

Mapa z głębokościami przy przepływie maksymalnym

Mapa maksymalnych prędkości wody

Mapa z rzędnymi przy przepływie maksymalnym

Profil podłużny obiektu drogowego z wynikami obliczeń prędkości maksymalnej, maksymalnej głębokości oraz maksymalnym napełnieniem w korycie cieku

Podsumowanie i wnioski

Wykorzystanie modeli hydrologicznych oraz hydraulicznych umożliwia optymalne zaprojektowanie świateł mostów, przepustów, a także odwodnień, zbiorników retencyjnych, wałów przeciwpowodziowych i innych budowli hydrotechnicznych.  

Modelowanie pomaga przeprowadzać optymalizację parametrów projektowanych obiektów. Model pozwala na przetestowanie różnych scenariuszy i znalezienie najlepszych rozwiązań projektowych.

Podsumowując, w nowoczesnym budownictwie inżynieryjnym modelowanie jest niezbędnym narzędziem, pozwalającym na lepsze zrozumienie i optymalizację projektów infrastruktury liniowej.

HydroBIM jest wyspecjalizowanym podwykonawcą branży hydrotechnicznej i hydrologicznej.

Zapoznaj się z naszą ofertą.

Wpis powstał na bazie prezentacji, którą Tomasz Rajpold przedstawił podczas konferencji InfraDAYS 2024

Zdjęcie tytułowe: W. Korona

Autorem obliczeń użytych w prezentowanym przykładzie jest mgr. inż. Wojciech Korona