POZNATKY A PREVÁDZKOVÉ SKÚSENOSTI Z MONITORINGU A MODELOVANIA ZANÁŠANIA NÁDRŽE HRIÈOV NA VÁHU M. Lukáè, P. Filadelfi, D. Fejér, D. Beèár 1. ÚVOD Z poh¾adu vodohospodárskej prevádzky je závažným problémom zanášanie nádrží sedimentmi. Voda pritekajúca do nádrže je transportným médiom pre rôzne látky, ktoré sa pohybujú vo vode niektorým zo spôsobov pohybu. Hrubozrnné splaveniny diskontinuálne na dne, jemnozrnné plaveniny prakticky kontinuálne a po celej håbke prietoèného profilu. Ve¾ká èas týchto látok sa vzh¾adom na zníženú transportnú schopnos vody (dôsledok vzdutia vody priehradou a následného zníženia rýchlosti prúdenia) usadzuje na dne nádrže. Proces zanášania pôsobí prakticky od uvedenia nádrže do prevádzky. Intenzita zanášania konkrétnej nádrže závisí od mnohých faktorov a je výsledkom ich spolupôsobenia. Zanášanie nádrží negatívne vplýva na ich životnos, t.j. dobu, poèas ktorej je nádrž schopná plni plánované vodohospodárske funkcie. Problém sa stáva ešte závažnejším, ak je spojený s kontamináciou sedimentov. Aby bolo možné tento problém efektívne rieši, potrebné je ma k dispozícii èo najviac poznatkov o jeho genéze od vzniku sedimentov v povodí toku v dôsledku eróznej èinnosti, cez transport sedimentov v rieènej sieti až po mechanizmus ich usadzovania v nádržiach. Nádrž Hrièov patrí v celoslovenskom meradle medzi nádrže s najväèšou mierou zanesenia priestoru nádrže sedimentmi a získanie nových poznatkov o dynamike transportu sedimentov má praktický význam pre prevádzkovate¾a nádrže. V súèasnosti sa pri poznávaní a hlavne prognózovaní vývoja spomínaných procesov èoraz viac využívajú progresívne metódy numerického modelovania. Predložený príspevok sa zaoberá monitoringom zanášania nádrže Hrièov a opatreniami zameranými na obmedzenie negatívnych úèinkov jej zanášania, ktorých úèinnos bola posúdená numerickým modelom. 2. ÈASOVÝ VÝVOJ ZANÁŠANIA NÁDRŽE HRIÈOV Z h¾adiska monitoringu a hodnotenia zanášania je nádrž Hrièov najintenzívnejšie sledovanou nádržou na Slovensku, èo zodpovedá jej osobitnému postaveniu v rámci Vážskej kaskády. Objem nádrže bol zameraný celkovo 8-krát. Zatia¾ posledné meranie realizovali pracovníci VÚVH v októbri 2006. Merania sa vykonávali z èlna pomocou echolotu a geodetických prístrojov. V súèasnosti sa zanášanie nádrže sleduje a vyhodnocuje v 23 prieènych profiloch nádrže. Aktuálny objem nádrže pri 14
maximálnej prevádzkovej hladine na kóte 326,10 m n. m. predstavuje 5 613 550 m 3. V tabu¾ke 1 uvádzame èasový vývoj celkového objemu nádrže Hrièov na základe priamych meraní v rôznych èasových horizontoch a zároveò vývoj intenzity zanášania v období medzi dvomi meraniami, vyjadrený priemerným roèným prírastkom nánosov, urèeným z rozdielu objemov a na základe údajov o regulaènej ažbe sedimentov, ktoré poskytol prevádzkovate¾ vodnej stavby. Grafické znázornenie èasového vývoja celkového objemu nádrže je na obrázku 1. Tabu¾ka 1 Èasový vývoj celkového objemu nádrže Hrièov Rok 1962 1969 1978 1988 1989 2000 2002 2006 Objem nádrže pri max. prevádzkovej hladine (mil. m 3 ) Priemerná roèná ažba sedimentov v medziobdobí (tis. m 3 ) Intenzita zanášania v medziobdobí (tis. m 3 /rok) 8,467 6,592 5,900 5,775 6,378 5,406 6,301 5,614 32, 9 66,6 30,3 19,0 300,8 109,8 85,8 po revízii nádrže 118,7 po revízii nádrže 190,8 Obrázok 1 Èasový vývoj celkového objemu nádrže Hrièov pod¾a meraní VÚVH 15
Z tabu¾ky a obrázku možno získa obraz o meniacej sa intenzite procesu zanášania nádrže. Po uvedení VD do prevádzky bola intenzita najväèšia (1962-1969). Postupne dochádzalo k výraznému zmenšovaniu intenzity zanášania a k vytváraniu kvázi-rovnovážneho stavu (1978-1988). Pri komplexnej revízii v roku 1988 (august - október) bolo z nádrže odstránených ažbou a preplachovaním 603 076 m 3 sedimentov. Po tejto revízii sa intenzita zanášania výrazne zvýšila v porovnaní s predchádzajúcim obdobím, pred revíziou v roku 2002 bol celkový objem nádrže najmenší poèas obdobia jej prevádzky. Ïalšia revízia spojená s prepláchnutím nádrže sa uskutoènila v roku 2002 (august - október). Objem sedimentov odstránených poèas tejto revízie predstavoval približne 900 000 m 3. Po tejto revízii sa intenzita zanášania nádrže opä dramaticky zvýšila, takže za štyri roky sa objem nádrže zmenšil takmer na minimálnu hodnotu pred revíziou v roku 2002. Pri maximálnej prevádzkovej hladine 326,10 m n.m. je aktuálny objem nádrže 5 613 550 m 3. Okrem stáleho priestoru nádrže sa v dôsledku tvorby nánosov sedimentov výrazne zmenšuje aj úžitkový priestor nádrže medzi kótami 326,10 a 323,10 m n.m. V projekte bol jeho objem uvádzaný hodnotou 6 394 000 m 3, v súèasnosti sa zmenšil na 4 436 581 m 3, èo predstavuje pokles o 31 %. Porovnanie aktuálnej krivky objemov nádrže s pôvodnou a s meraním z roku 2002 (po revízii nádrže) uvádzame na obrázku 2. Obrázok 2 Porovnanie kriviek objemu nádrže Hrièov v rôznych èasových úrovniach 16
Strata celkového objemu nádrže predstavuje 33,7 %. Ako vyplýva z obrázku 3, väèšiu percentuálnu stratu celkového objemu majú na Slovensku len nádrže Krpe¾any (58 %) a Ve¾ké Kozmálovce (43 %). Obrázok 3 Porovnanie percentuálnej straty celkového objemu vybraných nádrží Slovenska 3. VYHODNOTENIE ZMIEN TOPOGRAFIE DNA NÁDRŽE Aktuálna topografia dna nádrže bola zostavená zo zameraných profilov interpoláciou do pravidelnej siete bodov 10x10 m v softvéri Surfer. Interpolovaná topografia dna nádrže v identickej sieti bodov bola zostavená aj pre merania z rokov 2002, 2000, 1989 a 1978, takže možno porovnáva topografiu dna v rôznych èasových úrovniach. Zo zostavených interpolovaných topografií dna nádrže bolo možné jednoduchým spôsobom (odèítaním nadmorských výšok dna v uzlových bodoch siete) plošne porovna rozsah morfologických zmien medzi dvomi meraniami. Výsledky porovnania topografie z rokov 2002 a 2000, resp. 2006 a 2002 sú na obrázku 4. Z prílohy je evidentný priaznivý vplyv preplachovania sedimentov poèas revízie (august - október 2002), kedy bola najväèšia èas nánosov sedimentov odstránená z priestoru prvej štvrtiny nádrže. Celkový objem odstránených nánosov predstavoval približne 900 000 m 3. Pri zníženej hladine v nádrži sa v nej vytvorili podmienky pre rieène prúdenie. Pri podstatne vyšších rýchlostiach prúdenia tak došlo k samovo¾nému odstráneniu èasti dnových sedimentov. Prúdiaca voda v nánosoch vyerodovala hlboké koryto (maximálne håbky okolo 5,5 m) rozvetvené na viacej èastí, ktoré v najhlbších miestach sledovalo trasu pôvodného koryta Váhu pred 17
uvedením nádrže do prevádzky. Po revízii sa nádrž opä intenzívne zanáša. Do merania v roku 2006 sa jej objem zmenšil o približne 700 000 m 3, k èomu výraznou mierou prispel výskyt zvýšených a povodòových prietokov v medziobdobí. Poèas týchto situácií je transport sedimentov, hlavne jemnozrnných plavenín, najväèší. Ako vyplýva z obrázku 4, zanášanie prevláda na výraznej väèšine plochy nádrže. Pozdåžny profil najnižších bodov prieènych profilov nádrže uvádzame na obrázku 5, z ktorého si tiež možno utvori obraz o morfologických zmenách dna nádrže. Obrázok 4 Porovnanie topografie nádrže Hrièov v rôznych èasových úrovniach Obrázok 5 Èasový vývoj pozdåžneho profilu dna nádrže Hrièov v merných profiloch 18
4. OPATRENIA NA OBMEDZENIE ZANÁŠANIA NÁDRŽE Relatívne v krátkom období po uvedení vodnej stavby do prevádzky v polovici 60-tych rokov minulého storoèia zaèala sa prejavova vo vodnej nádrži Hrièov výrazná sedimentácia. Nánosy sa sústredili v èasti pred hlavnými objektmi VD, zanesenie sa prejavilo v strednej èasti a taktiež na konci vzdutia. Prevádzkovanie vodnej elektrárne v denných špièkách s maximálnym rozkyvom hladín až 3,5 m umocòovalo situáciu, keï sa pri znížení hladiny na kótu minimálnej prevádzkovej hladiny zaèali na vtedy novovybudovanom vodnom diele objavova rozsiahle plochy nánosov. Vodohospodársky prevádzkovate¾ v snahe rieši vzniknutý stav zapoèal v roku 1968 s vykonávaním regulaènej ažby nánosov. Bagrovacia súprava pozostávala z plávajúceho korèekového bagra KDB100, 5 èlánkovej transportnej plávajúcej trasy (PTT) a vleèného remorkéra. Kompletizácia bagrovacej súpravy a jej vybavenia a hlavne úpravy sa robili svojpomocne - vo vlastnej réžií prevádzkovate¾a. Regulaèná ažba sa v zaèiatku a poèas 70-tych rokov sústreïovala na strednú èas nádrže pozdåž pravého brehu - okolo zaústenia Divinky, kde bola poèas revízie v roku 1969 vykopaná suchozemskými mechanizmami plavebná dráha. Vy ažené sedimenty boli deponované na príbrežných plochách, po odteèení boli využité na terénne úpravy okolia nádrže. Prebytky materiálov odoberali odberatelia ako zásypový materiál. Zaèiatkom 80-tych rokov bola pre vykonávanie regulaènej ažby urèená lokalita v hornej èasti nádrže (pod Považským Chlmcom, prakticky doterajší priestor bagrovania). VÚVH Bratislava navrhol na základe modelového výskumu usmernenie sedimentácie k pravej strane nádrže. Tento priestor bol výhodný aj z dôvodu vo¾ných príbrežných pozemkov v užívaní vodohospodárskeho prevádzkovate¾a. Riešenie pozostávalo z vybudovania kamennej ponorenej usmeròovacej hrádze od ¾avého brehu smerom k pravému, táto zasahovala cca do 2/3 šírky nádrže. Trasa hrádze bola vedená v dvoch protismerných oblúkoch. Usmeròovacia hrádza bola realizovaná poèas revíznych prác v roku 1988, v súèasnosti je èas hrádze povodòami znièená. Regulaèná ažba na pravom brehu od zaèiatku 80-tych rokov do roku 2004 bola vykonávaná v príbrežnom páse v úseku medzi EPF 9/1-8, s presahom proti a po toku. Pre zvýšenie dosahu bagrovacej súpravy boli do nádrže z pravého brehu nasypané štrkové hrádzky, na konci s rozšírením. Rozšírená èas slúžila pre osadenie násypky a otáèanie nákladných vozidiel. KDB100 bagroval v priestore ohranièenom dosahom transportných trás k násypke. Plávajúca transportná trasa pozostávajúca z plávajúcich èlánkov zabezpeèovala dopravu materiálu na vode. K brehu do násypky bol vy ažený materiál dopravovaný cez koncovú èas transportnej trasy, ktorá bola nesená na jednej strane na vode pontónmi a na druhej strane na brehu podperou stojok. Koncová èas transportnej trasy zabezpeèovala výškové prepojenie s násypkou a prepojenie trasy pri prevádzkovom rozkyve hladiny v nádrži (až 3 m). Zo zvýšenej oce¾ovej násypky sa materiál sypal na upravené korby nákladných vozidiel. Prevoz na brehu sa vykonával na vzdialenos 150-350 m. Na úpravu depónií a zabezpeèenie prejazdnosti prístupových komunikácii sa používal buldozér. 19
V priebehu vykonávania regulaènej ažby boli nasypané 4 hrádzky (dl. 80-150m) do nádrže. Osadenie násypky a vykonávanie ažby s transportom sedimentov k nej bolo v priebehu rokov periodicky obmieòané v 1-2 roèných cykloch. Pre vykonávanie regulaènej ažby v nádrži Hrièov boli spracovávané dielèie zjednodušené projektové dokumentácie (ZPD) pre obdobie 1-3 rokov. Navrhovaná regulaèná ažba bola stanovená v koridore v rámci obrysu - maximálneho dosahu, pod¾a dåžky trás bagrovacej súpravy k miestu násypky. Kóta navrhovanej ažby bola stanovená na úroveò 320,00. Realizované objemy regulaènej ažby z obdobia rokov 1978-2004 sú spracované na obrázku 6. Obrázok 6 Èasový vývoj regulaènej ažby v nádrži Hrièov Od polovice 90-tych rokov bola regulaèná ažba obmedzovaná z dôvodu nedostatku finanèných prostriedkov. V roku 2000 sa nebagrovalo vôbec. Na bagrovacej súprave vznikali poèas celého obdobia prevádzky èasté prestoje z titulu porúch (v súèasnosti má väèšina zariadenia už viac ako 35 rokov). Zariadenie je napriek pravidelným opravám, vynakladaným finanèným prostriedkom a nemalému úsiliu zainteresovaných pracovníkov, prirodzene fyzicky i morálne opotrebované. Pri bagrovaní jemných sedimentov bolo v minulosti obtiažne plni predpísané normované výkony. Frakcie štrkopieskov bolo možné bagrova v normou stanovenom množstve. Sedimenty jemných frakcií boli bagrované spúš aním lafety do håbok, v ktorých sa nachádzali horizonty Vážskych štrkov. V lokalite na konci vzdutia sa miestne nachádzali kamene - valúny do priemeru až 40 cm. Tieto sa museli ruène vyhadzova z korcov, nako¾ko nebola možná ich doprava po PTT. Dopravné trasy prepravujúce sedimenty vyžadovali zvýšené nároky na uvo¾òovanie zachytených predmetov, èistenie trasy a strojnú údržbu. Bagrovacie práce sa vykonávali sezónne - od zaèiatku apríla do polovice októbra, pokia¾ neboli iné obmedzenia. Mimo toto obdobie sa prevádzali opravy bagrovacej súpravy. 20
5. NUMERICKÉ MODELOVANIE HYDRAULICKÝCH PODMIENOK A TRANSPORTU SEDIMENTOV V NÁDRŽI Poèas riešenia štúdie boli zostavené numerické modely prúdenia vody a transportu sedimentov v nádrži Hrièov. Cie¾om modelovania bolo posúdi hladinový režim poèas rôznych prietokových situácií a poskytnú prevádzkovate¾ovi vodnej stavby praktické podklady pre elimináciu intenzívneho zanášania nádrže. Aplikovaný bol softvér Dánskeho hydraulického inštitútu, ktorý bol použitý už pri posúdení úrovne protipovodòovej ochrany v roku 2002, ako aj pri poèetných ïalších štúdiách na VÚVH. Jednorozmerný (1D) model prúdenia vody a transportu sedimentov schematizuje okrem vlastnej nádrže aj záustné trate Rajèianky a Kysuce a úpravu koryta Váhu po ha Žilina. Dvojrozmerný (2D) model bol zostavený len pre samotnú nádrž a simuluje rozdelenie rýchlostného po¾a v nádrži pri rôznych prevádzkových situáciách. Pre schematizáciu transportu sedimentov boli do modelu doplnené údaje o granulometrii nánosov nádrže a tiež o granulometrii dnového materiálu Váhu, Kysuce a Rajèianky. Hrubozrnné splaveniny Váhu sa zachytia v zdrži Žilina, takže zdrojom splavenín je hlavne Kysuca a v menšej miere aj Rajèianka. Pohyb splavenín je podmienený vhodnými hydraulickými podmienkami (zvýšené a povodòové prietoky), zatia¾ èo transport plavenín je prakticky kontinuálny a predstavuje rozhodujúci zdroj tvorby nánosov v nádrži Hrièov. Zostavený transportný 1D model sme aplikovali na h¾adanie takých vhodných hydraulických podmienok, ktoré by mohli spôsobi aktivizáciu transportu sedimentov aj pri bežných prevádzkových podmienkach v rozmedzí prevádzkových hladín, bez výrazného dlhodobejšieho obmedzenia energetickej funkcie nádrže. Transportnú kapacitu ovplyvòujú hlavne tieto velièiny a parametre - prietok vody, hladina v nádrži, rýchlos prúdenia vody, sklon hladiny, šmykové (tangenciálne) napätie pri dne, granulometrické zloženie a fyzikálne vlastnosti sedimentov. Simulované boli rôzne prietokové situácie a rôzne alternatívy hladiny v nádrži pri hati v intervale 322,00-325,00 m n.m. Morfologické pomery v nádrži výrazne ovplyvòujú hodnoty hydraulických parametrov pri rôznych situáciách. Rýchlosti prúdenia sú najväèšie v profiloch pred ha ou, èo vyplýva hlavne zo sklonu hladiny. Smerom proti vode rýchlosti klesajú približne na polovicu v širších plytkých profiloch a ïalej smerom ku koncu vzdutia opä narastajú. Profily na konci vzdutia sú užšie a sklon hladiny rastie. Hodnota šmykového napätia pri dne, ktorá je rozhodujúcim transportným parametrom, je najväèšia opä pri hati, prièom medzi jednotlivými alternatívami (rozlíšenými prítokom a hladinou pri hati) sú aj rádové rozdiely. Výsledkom spolupôsobenia popisovaných a zobrazených parametrov a velièín (spolu s ïalšími) sú hodnoty teoretického transportu sedimentov. Na ich výpoèet bola použitá v modeli metóda Ackersa a Whitea. Podmienky pre preplachovanie sú tým priaznivejšie, èím je hladina v nádrži nižšia a èím je odtok z nádrže väèší. S poklesom pod minimálnu prevádzkovú hladinu však 21
nemožno poèíta v bežných prevádzkových situáciách. Z výsledkov simulácií vyplýva, že vhodné podmienky sú aj pri minimálnej prevádzkovej hladine, pri prítoku 450 m 3 /s prakticky v celom priestore nádrže. So zmenšujúcim sa prítokom transportná kapacita klesá, miestami takmer na nulu, hlavne v strede nádrže (najširšie plytké profily). Pri vyšších hladinách v rozmedzí prevádzkových hladín sú vhodné podmienky pre transport dnových sedimentov len lokálne, na konci vzdutia nádrže. Na obrázku 7 uvádzame porovnanie 2D modelom simulovaného rozdelenia rýchlostného po¾a v nádrži pri minimálnej prevádzkovej hladine a pri rôznych prítokoch do nádrže. Otvorenou je otázka doby trvania takejto mimoriadnej manipulácie, keï je otázka údržby (preplachovanie sedimentov) nadradená energetickému využitiu. Najúèinnejším sa javí využi prirodzene vhodné podmienky, t.j. zvýšené prietoky na prítokoch. Správne naèasovanie je tak závislé na vèasnej a spo¾ahlivej informácii o vývoji hydrologickej situácie a na pružnosti prispôsobenia manipulácie. Aj keï predpokladané odstránené množstvá sedimentov budú podstatne menšie ako pri komplexnej plánovanej revízii, èiastoèné preplachovanie by mohlo by ekonomicky efektívne v porovnaní s inými spôsobmi odstraòovania sedimentov. K pohybu sedimentov v nádrži dochádza aj pri povodòových prietokoch a vyšších hladinách, tieto situácie sú však spojené aj s najväèším prísunom sedimentov do nádrže z povodia. 6. ZÁVER Preplachovanie nádrže sa javí ako metóda, ktorá môže by efektívna z h¾adiska množstva odstránených nánosov, ako sa potvrdilo na samotnej nádrži Hrièov poèas jej revízií. Možno ju využi ako alternatívu k tradiènému mechanickému odstraòovaniu nánosov, ktoré je finanène i energeticky nároèné a roèné ažené množstvá sú menšie ako priemerný roèný prísun nových sedimentov do nádrže. Slabinou tohto riešenia je konflikt s energetickým využívaním nádrže, keïže je potrebné pre dosiahnutie oèakávaného úèinku na urèitú dobu zníži hladinu v nádrži. Výsledky modelových simulácií preukázali, že preplachovanie by mohlo by úèinné aj pri menej dramaticky zníženej hladine (v porovnaní s revíziami nádrže), približne v oblasti minimálnej prevádzkovej hladiny. Potrebný je však dostatoèný prítok do nádrže, približne aspoò 250-400 m 3 /s. Pri menších prietokoch môže dochádza k lokálnemu odstráneniu nánosov. Pri takýchto situáciách by bolo vhodné využi prirodzene zvýšené prietoky na Kysuci a Rajèianke a prepúš a vodu cez ha do starého koryta Váhu. Otvorenou ostáva otázka prerokovania takýchto spôsobov manipulácie s energetickým užívate¾om vodnej stavby, ich schválenia a premietnutia do Manipulaèného poriadku. 22
23 Obrázok 7 Rýchlostné pole v nádrži Hrièov simulované 2D modelom MIKE 21 pri minimálnej prevádzkovej hladine a rôznych prietokových situáciách 23
7. LITERATÚRA [1] LUKÁÈ, M. - BENICKÝ, J.: Posúdenie bezpeènosti VD Krpe¾any, Žilina a Hrièov z h¾adiska prechodu ve¾kých vôd. Závereèná správa. VÚVH Bratislava, 2006. [2] FILADELFI, P.: VD HRIÈOV - regulaèná ažba v nádrži. SVP OZ Pieš any, 2005. SUMMARY The Hricov reservoir at the Vah river belongs to the reservoirs which are the most heavily influenced with sedimentation in the frame of Slovakia. The loss of its total volume represents almost 40 % after more than 45 years of operation. The numerical models of sediment transport (1D) and reservoir hydrodynamics (2D) were setup in order to study hydraulic conditions for different scenarios of reservoir flushing. Parttime flushing of sediments from the Hricov reservoir can be effective alternative to traditional dredging of sediments. Ing. Miroslav Lukáè Výskumný ústav vodného hospodárstva Nábr. arm. gen. L. Svobodu 5, 812 49 Bratislava, Slovenská republika Tel.: 02 59 343 397, e-mail: lukac@vuvh.sk Ing. Pavol Filadelfi, Ing. Dušan Fejér Slovenský vodohospodársky podnik, š.p., OZ Pieš any, Závod Povodie stredného Váhu I. Púchov 020 71 Nimnica, Tel.: 042 643 1001, Slovenská republika e-mail: pavol.filadelfi@svp.sk, dusan.fejer@svp.sk Ing. Dušan Beèár Slovenský vodohospodársky podnik, š.p., OZ Pieš any Nábrežie I. Krasku 3/834, 921 80 Pieš any, Slovenská republika Tel:: 033 7764 111, e-mail: dusan.becar@svp.sk 24