5. E-learning

MOTIVACE

Při navrhování úprav vodních toků a revitalizačních opatření, stanovování rozsahu záplavových území nebo kapacity stávajícího koryta je nutné vyjádřit ztráty ve vyšetřovaném úseku. Na toku víceméně pravidelného tvaru převažují nad ztrátami místními ztráty třením po délce. Tření po délce lze vyjádřit několika způsoby, ovšem nejpoužívanější je stanovení Manningova součinitele drsnosti n. Na určení tohoto součinitele výrazně závisí přesnost celého výpočtu, neboť všechny ostatní parametry pravidelného koryta, které vstupují do výpočtu, lze změřit. Přesná metoda stanovení součinitele zatím neexistuje a záleží tak na znalostech místních poměrů, zkušenostech a úsudku projektanta. Cílem je pochopit faktory ovlivňující odpory proudění a poskytnout vodítko k určení součinitele drsnosti.

DEFINICE

Drsnost je termín používaný hydraulickými inženýry a hydrology k měření (odhadu) odporu proudění, které vytváří v korytě materiál, vegetace a jiné fyzické složky. Drsnost je vliv bránící normálnímu průtoku vody v kanálu přítomností přírodních nebo umělých subjektů anebo subjektů biotických (vegetace) nebo abiotických (povrch stěn, materiál). Drsnost bývá obvykle rozdílná na dně, březích a v inundaci (záplavové území mimo vlastní koryto).

ZPŮSOBY STANOVENÍ DRSNOSTI

Odpor proudu je základní informace potřebná v analýze hydrauliky otevřených koryt. Pro vyjádření odporů v otevřených korytech lze využít přístup:

· Darcy-Weisbachův (1), kde je drsnost vyjádřena součinitelem ztrát třením λ [-],

· Chézyho (2), kde je drsnost vyjádřena rychlostním součinitelem C [m^1/2/s],

· Manningův (3), kde je drsnost vyjádřena součinitelem drsnosti n [s/m^1/3],

kde g je gravitační zrychlení [m/s²], v je střední průřezová rychlost [m/s], R je hydraulický poloměr [m], I je sklon čáry energie [-]. Jednotlivé způsoby vyjádření drsnosti jsou spolu navzájem propojeny (4).

Výše uvedené koeficienty lze získat na základě:

tabulek,
grafů,
empirických vzorců,
měření v laboratoři nebo v terénu,
Cowanovy metody,
srovnání řešené lokality s fotografiemi uvedenými v katalozích drsnosti (Manningův součinitel drsnosti n).

COWANOVA METODA

Cowanova metoda představuje přístup, při kterém se viditelným parametrům přiřazují součinitele popsané v níže uvedené tabulce. Subjektivita je omezena slovním popisem a rozmezím hodnot. Výsledná hodnota by se měla přibližovat vypočtené hodnotě drsnosti. Na několika lokalitách byly podle fotografií vybírány předvolené součinitele a pomocí vzorce uvedeného níže stanovena výsledná drsnost dle této metody. Slovní popis součinitelů (parametrů) byl přeložen, zkrácen a drobně upraven.

Výsledky Cowanovy metody pro vybrané zaměřené lokality jsou uvedeny spolu s datem zaměření v záhlaví následující tabulky.

Rozbor výsledků:

- zeleně podbarvené hodnoty se velmi blíží hodnotám vypočteným,
- červeně podbarvené hodnoty jsou rozdílné od vypočtených,

v případě známých nízkých a vysokých hodnot drsnosti se hodnoty vypočtené touto metodou odchylují,
- chybí hodnoty součinitelů pro betonové povrchy, kameny a balvany (metoda odvozena pro mikrodrsnost) a nepřítomnou vegetaci.

ZAHRANIČNÍ FOTOGRAFICKÉ KATALOGY DRSNOSTÍ

V dnešní době existuje několik takových katalogů drsnosti.

Některé jsou vydány knižně:

HICKS, DM., Masson PD. Roughness characteristics of New Zealand rivers. Wellington : Water resources survey. 1998. 329 s. ISBN 0-477-02608-7.
Chow, V.T., (1959), Open-channel hydraulics; McGraw-Hill, New York, NY, 680 p.

Některé lze stáhnout z internetu:

http://lwa.gov.au/files/products/river-landscapes/pn30109/case-studies-victoria.pdf
http://il.water.usgs.gov/proj/nvalues/db/pdf/full_book.pdf
- http://www.psw-knauf.de/download/Gewaesser-Rauheiten.pdf (není uvedeno Manningovo n, ale KST ---> n=1/KST)

Některé lze prohlížet online:

Fotografické katalogy kromě fotografií a uvedené drsnosti koryta obsahují většinou i popis koryta, polohu uvedené lokality, rozměry koryta (plocha, omočený obvod, hloubka, podélný sklon), několik měřených průtoků a datum měření a pořízení fotografií.

Webový fotografický katalog přirozených toků ČR vzniká také na ČVUT v Praze, Katedře hydrauliky a hydrologie. Tento katalog je v současné době veřejně nepřístupný.

Nabízí se srovnání s tabulkovým přehledem součinitelů drsnosti. Tabulky uvádějí poměrně přesné hodnoty pro běžné stavební materiály (beton, dřevo, kamenná dlažba). Pro přírodní koryta někdy uvádějí stručný popis („zemní kanály v poměrně špatném stavu“), který nedává dostatečnou představu o korytě. Navíc je rozptyl uváděných hodnot u přírodních koryt značný. Fotografický katalog je vhodným rozšířením k tabulkám.

Typy popisů v tabulkách:

- slovní: nedostatečně udržovaná zarostlá koryta s hustou buření přes celou hloubku vody

- slovní a číselné: kanály zarostlé vod. rostlinami s relativně malou rychlostí a velkým hydraulickým poloměrem v*R=0,05 m²/s

- slovní a číselné: kanály zarostlé vodními rostlinami s relativně velkou rychlostí ... s množstvím roslin výšších než 0,8 m

- slovní a číselné: stromy s rychlostí proudu 1 m/s a 20% ponořením větví, 75% pokrytí stromy

ÚSKALÍ ZAHRANIČNÍCH FOTOGRAFICKÝCH KATALOGŮ DRSNOSTÍ

V některých katalozích schází fotografie pro celé spektrum průtoků, případně jsou fotografie nekvalitní, nezachycují celé koryto.
Některé zahraniční katalogy obsahují i fotografie řek, které nejsou pro ČR typické nebo se u nás téměř nevyskytují. Středoevropské řeky se liší šířkou nebo hloubkou toku, zrnitostí dna nebo výskytem jiné vegetace na svazích koryta.

Toky, které se v ČR příliš nevyskytují:

Toky, které jsou v ČR podobné:

drsnost ¹: 0,030-0,032 0,041-0,0136 0,047-0,074 0,045-0,073 0,073

podobná lokalita: Lomnička Ochoz Křtiny Mohelno VD Morávka

drsnost ²: 0,040 0,054-0,100 0,057-0,064 0,056-0,086 0,071-0,170

¹ drsnost ze zahraničního katalogu přiřazená k uvedené fotografii

² drsnost vypočtená autorem tohoto projektu pro uvedenou "podobnou lokalitu"

PÁR SLOV O TOMTO KATALOGU

Tento e-learningový kurz a různě zpracované typy katalogu drsnosti vznikly za přispění projektu Fondu rozvoje vysokých škol FRVŠ 2002/2011. V roce 2011 byla měřena a vyhodnocena data z 10 beskydských a 18 jihomoravských toků. Výsledkem je 62 hodnot součinitele drsnosti na přírodních, upravených i umělých korytech v běžných, povodňových i suchých vodních stavech.

- VÝBĚR LOKALIT

Lokality byly voleny tak, aby vybraný úsek nebyl ovlivněn výraznými změnami profilu, sklonu, struktury dna a přítoků.
Pro zvýšení variability byla vybírána koryta různých rozměrů a podélných sklonů (horní tok není široký a má velký podélný sklon, u středního a dolního toku je tomu naopak), v hlubších i mělčích (širších) korytech, v korytech různých zrnitostí (jílové, pískové, štěrkové, kamenité, balvanité dno), korytech různých tvarů (lichoběžník, obdélník, miskovité koryto), různých průtoků (po přívalových srážkách, při upouštění vody z přehrad pro vodáky, před a po činnosti MVE, během bezesrážkového období), v intravilánech (udržované svahy) a extravilánech (zarostlé břehy), v přímých úsecích i mírných obloucích.

zvýšený vodní stav běžný vodní stav stav sucha

řeka říčka potok

přirozené koryto upravené koryto umělé koryto

téměř bez vegetace s řídkou vegetací s hustou vegetací

s jemnozrnným materiálem (písek, štěrk) s hrubozrnným materiálem (štěrk, kameny) s hrubozrnným materiálem (kameny, balvany)

Aby se ušetřil čas s měřením rychlostí vodoměrnou vrtulí, byly vybrány lokality v blízkosti limnigrafů ČHMÚ a podniků povodí s online vyhodnocením průtoků. Tyto průtoky je vhodné dodatečně ověřit u provozovatele měření. Pozor, údaje o průtoku stejného profilu se na různých webových stránkách neshodují. Příčinou může být neaktuální měrná křivka limnigrafu, kterou ČHMÚ kalibruje několikrát v roce!

Stránky ČHMÚ: http://hydro.chmi.cz/hpps/hpps_main.php --------------> zobrazí se kliknutím na příslušný profil

Stránky podniků povodí: http://www.pod.cz/portal/sap/cz/index.htm --------------> zobrazí se kliknutím na příslušný profil

http://www.pmo.cz/portal/sap/cz/index.htm

- MĚŘENÍ

První měření na lokalitě zahrnovalo 1) výběr úseku, 2) vytvoření nebo stanovení fixníko bodu (stálá výška pro následná měření) včetně jeho náčrtu a určení výšky nivelací, 3) pořízení fotografií lokality, 4) odběr vzorků krycí vrstvy dna nebo změření rozměrů kamenů a balvanů, 5) zaměření čtyř profilů včetně hladin a fixního bodu pomocí teodolitu, 6) zapsaní času měření pro odečtení průtoku z internetu.

Následné měření na lokalitě za předpokladu stabilního tvaru profilu zahrnovalo 1) pořízení fotografií lokality, 2) vytýčení profilů pásmem, 3) zaměření hladin a fixního bodu nivelací, 4) zapsaní času měření pro odečtení průtoku z internetu.

- VYHODNOCENÍ

Zprvu bylo vyhodnocováno zaměření, následně stanovována zrnitostní křivka. Před vyhodnocením byla studována problematika stanovení drsnosti. V závěru byla data přenesena do programu HEC-RAS a byl kalibrován součinitel drsnosti n tak, aby se vypočtené úrovně hladiny shodovaly s naměřenými.

Zrnitostní rozbor probíhal v Laboratoři vodohospodářského výzkumu (LVV), která je součástí Ústavu vodních staveb. Po vysušení bylo provedeno oddělení přischlých drobných zrn z větších kamenů a následný standardní sítový rozbor na dvou prosévacích strojích (řada sít do 125 mm rozdělená na dvě části). Vzorky byly vyfotografovány před a po prosévací zkoušce. Následně byla vynesena křivka zrnitosti a stanoveno efektivní zrno d_ef.

Je vhodné se zmínit, že na dně toku leží zrno svou největší plochou s rozměry a x b a výčnělky mají rozměr c.

kde d_i a d_i+1 jsou velikosti ok dolního a horního síta, p_i a p_i+1 jsou procentní propady dolního a horního síta.

Při sítovém rozboru propadají zrna nejmenší plochou c x b.

Při odběru hrubozrnného materiálu tedy měříme rozměr b.

Lze konstatovat, že křivky zrnitosti se u odebraných vzorků většinou výrazně neliší. Ojediněle ale dochází k velkému rozdílu mezi jednotlivými křivkami způsobeným zřejmě nestandardním odebráním vzorku jiných vlastností, než má zbývající část toku (nános, materiál sesunutého břehu, odebrání vzorku do větší hloubky nebo na skalnatém dně).

fixní bod odběr vzorků dna odběr vzorků dna odběr vzorků dna zapisování údajů

tachymetrie zaměřování měrná lať limnigrafu limnigraf vibrační prosévací stroje

odstraňování přilepených zrn vzorek před proséváním vzorek po prosévání dočasná signální značka nivelace hladin

Geodetická data byla zpracovávána běžným tachymetrickým vyhodnocením v Excelu. Chybné výsledky polohy a nadmořské výšky zaměřených bodů (výrazný rozdíl od ostatních dat) byly opraveny nebo vyřazeny. Ze dvou měření hladin byla stanovena průměrná hodnota zaokrouhlená na celé centimetry směrem dolů. Byl uvažován předpoklad, že hladina musí se směrem proudění klesat, a tak bylo ve sporných případech přihlédnuto k vyšší nebo nižší ze dvou hodnot.

Údaje o průtocích byly zjišťovány na internetu (měření probíhá každou hodinu) dle zaznamenané nejbližší celé hodiny měření. Pro kontrolu je vhodné zapsat vodní stav odečtený z vodoměrné latě na limnigrafu. Lze tak předejít nejasnostem při poruše limnigrafu, úpravě měrného profilu nebo rychlých (méně než hodina) změnách vodního stavu během povodní. Data se doporučuje ověřit na ČHMÚ, které provádí pravidelnou kalibraci měrných profilů.

kde ∆h je změna hladiny mezi dvěma profily i a i+1 v [m], Q je průtok v [m³/s], g je gravitační zrychlení [m/s²], A_i+1 a A_ijsou průtočné plochy mezi dvěma profily i a i+1 v [m²], ξ je součinitel místních ztrát, L je délka koryta mezi profily v [m], A_p je průměrná plocha v [m²], C_p je průměrný rychlostní součinitel v [m^1/2/s] a R_p je průměrný hydraulický poloměr v [m] mezi dvěma profily i a i+1. Drsnost n je obsažena ve stanovení rychlostního součinitele jako

Stanovení hydraulické drsnosti bylo provedeno ve výpočtovém programu (1D) HEC-RAS. V jednotlivých profilech byla volena konstantní drsnost pro celý průřez a pro všechny profily. Je využita metoda nejmenších čtverců (hodnota * hodnota ----> záporná čísla převedena na kladná). Princip spočívá ve volbě jediného součinitele drsnosti (z vypočteného rozpětí) pro všechny čtyři profily. Hodnota, pro kterou je součet čtverců rozdílů hladin nejmenší, je zvolena za charakteristickou pro daný úsek toku, datum a průtok. Okrajovou podmínkou je známá hloubka vody v dolním profilu (ve všech případech říční proudění). Program počítá nerovnoměrné ustálené proudění metodou po úsecích, která je založena na Chézyho rovnici a rychlostním součiniteli dle Manninga.

NEJISTOTY PŘI STANOVENÍ DRSNOSTI

Proces stanovení drsnosti může být zatížen nejistotami ("chybami") při zaměření koryta, následné nivelaci hladin, odběru a vyhodnocení zrnitosti materiálu, stanovení průtoků, volbě zjednodušujících předpokladů, volbě výpočetního modelu a zpracování dat. Metodika měření a vyhodnocování dat by se měla časem zlepšovat, aby byly eliminovány známé zdroje chyb. Mezi nejistoty lze zařadit:

- chyby metodiky:

neměření hladiny při nivelaci na obou březích - kontrola, průměr,
volba střední hladiny při velkém rozkmitu hladin za povodňových průtoků, viz videa níže,
zahrnutí vzdutí nebo snížení hladiny,
čas neuváděn v UTC (zahrnutí i letního času),
předpoklad konstantního profilu - bez vymílání a zanášení,
neuvažování eroze břehů,
omezení profilu na několik bodů + profily vzdáleny daleko (cca ve vzdálenosti šířky v hladině) - nelze postihnout detaily,
konstantní drsnost pro celý profil,
měření velikosti kamenů a balvanů neprovedeno na obou březích a provedeno na krátkém úseku,
neuvažování vlivu mírných oblouků,
neuvažování případného vlivu viskozních sil při velmi nízkých průtocích v malých tocích,
vliv provzdušnění proudu;

- chyby měření:

chyba v odečítání nebo zápisu při zaměření nebo nivelaci - opravení nebo vyřazení dat,
špatně urovnaný stroj, pohnutí se stativem,
odchýlení profilů od kolmice na proudnici,
nepřesné vytýčení profilů pásmem při následné nivelaci,
neustálené proudění za povodní;

- chyby přístrojů:

absence libely na nivelační lati - vychýlení od vertikálního směru,
obecně chyby přístrojů,
v limnigrafu skokově stoupá průtok (1cm může zvýšit průtok o jednotky až desítky procent);

- chyby výpočtového modelu:

hladina neklesá ve směru proudu - opravení nebo vyřazení dat,
obecně zaokrouhlení,
nerovné dno ve směru kolmém ke směru proudění - nelze použit průměrný podélný sklon mezi profily,
neuvažování místních ztrát - osamělé balvany,
zkomplikování výpočtu (nebo zanedbání) v případě vytvoření ramen s hladinami v různých úrovních.

Nerovná hladina způsobená kameny - Ondřejnice v Kozlovicích

Vlny na hladině malého toku

Výrazné vlny na hladině velkého toku

FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ DRSNOST

V praxi se při výpočtu proudění v otevřených korytech nejčastěji využívá jediný součinitel, Manningovo n. Jednou hodnotou je tak pro celé spektrum průtoků a dlouhý řešený úsek vyjádřen odpor povrchu včetně dnových útvarů, zakřivení koryta, vlivu vegetace a překážek. V následujícím textu bude ve spojitosti s drsností uvažován právě Manningův součinitel hydraulické drsnosti n.

Do výsledné drsnosti je nutné zahrnout následující faktory, které jsou v mnoha případech vzájemně závislé:

· materiál dna a svahů,

· tvar příčného profilu,

· průtok (vodní stav),

· výskyt vegetace,

· dnové útvary,

· výskyt výmolů a nánosů,

· roční období (vegetace, ledochod),

· údržba koryta,

· objekty v toku,

· meandrování.

- MATERIÁL DNA A SVAHŮ

Za běžných průtoků vytváří odpor dna koryta převažující část odporů (za povodně se na průtoku výrazně podílí břehy, případně bermy a záplavové území). Zrnitost materiálu vyjadřuje velikost výčnělků a tím i intenzitu zasahování částic do průtočného profilu. Uvažuje se tzv.

mikrodrsnost = jíl, písek, štěrk,
makrodrsnost = kameny, balvany, valouny.

Někdy se mezi tyto dva stavy přidává ještě přechodná oblast, tzv. mesodrsnost.

Ve vzorcích se obvykle neuvažuje tvar zrna. Zejména u balvanů lze přitom pozorovat, že náběhová hrana, zaoblení balvanů, velikost plochy balvanu nebo uspořádání balvanů v půdorysu toku má vliv na odpory (vzdutí). Viz následující fotografie.

Plošná drsnost je reprezentována velikostí a tvarem zrn materiálu tvořícího omočený obvod a vytvářejícího zpomalující efekt na proudění. Obecně lze říct, že jemnozrnné povrchy mají relativně nízkou hodnotu n a hrubozrnné vyšší hodnotu n. V naplaveninách toků, kde je materiál jemnozrnný, jako písek, hlína nebo bahno, je zpomalovací efekt o mnoho menší než tam, kde je materiál hrubozrnný, jako štěrk nebo balvany. Je-li materiál jemný, hodnota n je nižší a relativně málo ovlivnitelná změnou průtoku. Pokud materiál tvořen štěrkem a balvany, hodnota n je obecně vyšší, zejména při nízkých nebo velkých průtocích. Větší balvany se obvykle hromadí na dně koryta a dělají jej hrubší než břehy a zvyšují hodnotu n za nízkých průtoků. Za vysokých průtoků je část energie proudění použita pro přesun balvanů níže po toku čímž se zvýší hodnota n.

Na dně koryta se časem vytvoří tzv. dnová dlažba nebo také krycí vrstva. Její povrch tvoří větší kameny, pod nimiž je chráněn jemný materiál před vyplavením. Pokud dojde při velkých průtocích k odnosu krycí vrstvy, dojde k výrazné erozi dna. Zrnitostní rozbor se provádí z horní vrstvy - dnové dlažby.

V některých empirických vzorcích pro stanovení drsnosti se vyskytuje tzv. relativní drsnost, což je poměr hloubky h nebo hydraulického poloměru R k výšce výčnělků Δ. Drsnost se zvyšuje se zvětšující se výškou a hustotou výskytu vyčnívajících prvků. Opačný efekt ale může mít nepravidelný tvar dna, které může být transportovanými sedimenty zarovnáno.

K výpočtu drsnosti dna lze využít přístupu dle Stricklera. Ten vyjadřoval odporový součinitel přímo ze sedimentačních vlastností materiálu dna (zrnitostní křivka). Ze znalosti procentuálních zastoupení velikosti zrna d_x (kvantil) a empirického koeficientu y lze pak dle níže uvedeného vzorce stanovit přímo drsnost dna.

Stricklera následovalo mnoho dalších vědců, kteří pro různé kvantily stanovovali empirické součinitele. Vzorce dalších autorů jsou tzv. vzorce Stricklerova typu. Přestože je vzorci vytýkáno, že jedním rozměrem nelze drsnost plně vystihnout, stal se tento přístup používaným. Někteří autoři doporučují používat vyšší hodnoty kvantilu (např. d₉₀) pro výpočet drsnosti na počátku proudění a používat nižší hodnoty (např. d₅₀ - blízké efektivnímu zrnu d_ef) pro celkový pohyb směsi.

V níže uvedené tabulce je vybráno několik lokalit se zrnitostní křivkou různých parametrů. Hodnotám drsnosti získaných z měření se dobře blíží hodnoty českého VÚVH nebo zahraničního Chih-Wu Hoa. Lze si všimnout, že většina vzorců je uzpůsobena spíše mikrodrsnosti. Pro makrodrsnost není vzorec Stricklerova typu vhodný.

* hodnoty d_s nebo d jsou v různých literaturách uváděny jako d₅₀ nebo d₅₅ - v tomto případě byla pro přehlednost zvolena d₅₀

Pro výpočet drsnosti existuje nespočet dalších vzorců, pro které je potřeba znát další hydraulické parametry koryta (hydraulický poloměr, podélný sklon, ...).

Na následujících fotografiích je ukázáno uspořádání kamenů na dně toku Mohelnice v Raškovicích.

Všimněte si uspořádání, zaklínění, jemného materiálu v úplavu (zákrytu větším za kamenem).

Na prvních dvou obrázcích voda proudí z levého horního do pravého dolního rohu.

pohled nad hladinou pohled pod hladinou

proměnlivost dna Mohelnice, velikostní rozdíly mezi zrny

- DNOVÉ ÚTVARY

S materiálem dna souvisí i další oblast, která ovlivňuje míru drsnosti. Tou oblastí jsou dnové útvary, které svým tvarem negativně přispívají k turbulencím. Mezi nejčastěji se vyskytující tvary útvarů, které v tocích vytváří vlnovitost, patří:

- a) vrásy (vlnky) - delší než vyšší (několik centimetrů, max 6cm), v podélném směru se tvar mění z trojúhelníku na sinusový tvar, nejsou závislé na průtoku,
- c) duny - střední velikost (výška cca 10% hloubky), mírný sklon a dolní svah je blízký přirozenému sklonu materiálu,
- f) antiduny - při bystřinném proudění, sinusový podélný profil, migrují po proudu,
- tůně - hlubší místa v toku, která byla erodována po ztrátě dnové dlažby, vyskytuje se v tocích s hrubozrnným materiálem,
- lavice - hlavní typ pokryvu, jedná se o nánosy, jejichž délka je větší než šířka, mají výšku srovnatelnou s hloubkou,
- ostrůvky - jako lavice a navíc vystupují až nad hladinu,
- d) rovné dno - kombinace, téměř rovná plocha při říčním proudění, přechod dun v antiduny a naopak,
- e) stojaté vlny - sinusový průběh, přibližně při kritickém pohybu,
- b) kombinace.

- PRŮTOK

U hydraulické drsnosti se obecně předpokládá nezávislost na změně průtoku. Měřením ale bylo zjištěno, že tomu tak není. Může nastat několik stavů s vlivem na drsnost při zvětšení průtoku (vodního stavu).

- Obecně lze říci, že v přirozeném říčním korytě bývá hodnota n nejnižší při plném korytě a roste při dalším vzrůstu nebo poklesu hladiny.
- Jsou-li břehy a dno koryta stejně hladké a pravidelné a sklon dna je rovnoměrný, hodnota n může zůstat skoro stejná při všech stavech a při výpočtech proudění je tedy n konstantní. To se stává většinou v umělých kanálech.

V případě opevnění břehů výrazně hrubozrnnějším materiálem, než jaký se nachází na dně koryta nebo v případě svahů koryta zarostlých vegetací (tráva, buřeň, keře, stromy) dochází ke zvýšení drsnosti.
Při malých průtocích a hloubkách je vliv nerovností dna větší, čímž roste hodnota součinitele drsnosti.
Hodnota n rovněž vzrůstá, proudí-li voda inundací, protože hodnota n pro inundaci je obvykle vyšší než pro koryto. Při posouzení v inundaci je součinitel n uvažován konstantní hodnotou.

Předpoklad snížení drsnosti při nárůstu průtoku potvrzují i externí katalogy drsnosti a většina případů tohoto katalogu (z 25 lokalit tuto domněnku potvrzuje 15, nepotvrzuje 6). Viz obrázky níže. Přesto pro praktické výpočty lze drsnost považovat za konstantní.

Závislost průtoku na Manningovu součiniteli drsnost n - externí fotografické katalogy

Drsnost se zelenou šipkou klesá, s červenou stoupá, s šedou stagnuje a u lokalit s otazníkem není jasný směr trendu.

- VEGETACE

Vegetace svým účinkem velmi zmenšuje průtočnost koryta a zpomaluje odtok vody a závisí na druhu, stáří, výšce, množství, rozmístění rostlin a na ročním období. Při dostatečné intenzitě proudu dochází k ohybu trávy, keřů a větví a tím k náhlému snížení drsnosti. Např. kmeny o průměru 15-20 cm zvyšují odpor podobně jako malé křoví za předpokladu, že větvě nezasahují do průtočného profilu. Ve vegetačním období a při nedostatečné údržbě porostů drsnost roste.

Účinek ohybu trávy zkoušený ve žlabu

Znát vliv vegetace (způsob údržby) je velmi důležité při návrhu malých kanálů, např. odvodňovacích. V USA měřili drsnost v odvodňovacím příkopu. V rámci výzkumu bylo naměřeno:

- v březnu 1925 - n=0,033 - příkop v dobrém stavu,
- v dubnu 1926 - n=0,055 - svahy porostlé křovinami vrb a suchým plevelem, orobinec (rákos) na dně,
- v červenci 1926 - n=0,115 - orobinec na dně, plevel a vrby ve druhém vegetačním období,
- v září 1926 - n=0,072 - plevel smyta velkou vodou.

- MEANDROVÁNÍ

Hodnotu drsnosti n zvětšují především ostré oblouky, v nichž dochází k akumulaci splavenin a plavenin. V neopevněných korytech a nízkých rychlostech je možno vliv oblouků zanedbat. V opevněných korytech se při větších rychlostech může nepatrně zvětšit hodnota n, velké meandrování přirozených toků může hodnotu n zvýšit až o 30%.

- OSTATNÍ

Náhlé změny tvaru, střídání malých a velkých průřezů a příčné proudění rovněž zvětšují součinitel drsnosti. Objekty v toku (pilíře, mostní profily, zbytky konstrukcí) a vegetační překážky (padlé stromy, kořeny) mají na odpor proudění negativní vliv.

Z výše zmíněných faktorů vyplývá, že výběr sledovaných lokalit by měl být pestrý, aby projektantovi katalog drsností nabízel co nejvíce možností pro vyhledání co nejanalogičtější fotografie k jeho řešenému problému.

VLIV NESPRÁVNÉHO STANOVENÍ DRSNOSTI NA PRŮTOK

Je všeobecně známo, že drsnost má zásadní vliv na výpočet průtoku. Pro jasnější představu o tom, které parametry a jak ovlivňují výpočet průtoku bylo zvoleno základní - rovnoměrné ustálené proudění - počítané Chézyho rovnicí.

Byl uvažován základní tvar koryta (šířka ve dně b=10m, hloubka h=2m, podélný sklon J=0,01, sklon břehů 1:m=1:2, drsnost n=0,04) viz růžová pole.
Vodorovná zelená pole představují hodnotu parametru na nejnižší pozici v růžovém poli, svislá zelená pole představují hodnotu drsnosti.
Modrá pole představují násobek příslušného parametru, kdy červená čísla označují poloviční a dvojnásobnou hodnotu základního tvaru koryta.
Výsledky hodnotí tabulka dole, která udává pořadí citlivosti jednotlivých parametrů.

Drsnost je po hloubce druhý nejcitlivější parametr a z neměřitelných faktorů je nejcitlivější.

Při výpočtech je nutné dobře zvážit volbu hodnoty drsnosti.

ZÁVĚR

Pro studium drsností jsou k dispozici tři fotografické katalogy drsností: tabulkový (dle typu koryta), přehledný (dle rostoucí drsnosti), podrobný (všechny údaje).

Podrobný katalog drsností obsahuje charakteristické fotografie lokalit pro každý měřený stav, fotografie odebraných vzorků dna, název, datum a průtok, polohu lokality (GPS), umístění příčných profilů (situace nad ortofotomapou), příčné profily, hydraulické vlastnosti (kóta dna a hladiny, plocha, omočený obvod, šířka v hladině), křivku zrnitosti (s uvedením 50%, 90% a efektivního zrna, tj. d₅₀, d₉₀ a d_ef).

LITERATURA

V textu jsou kromě výše uedených odkazů použity informace z následujících informačních zdrojů:

YEN, Ben Chie. Channel flow resistance. Centennial of Manning´s formula. Littleton : Water Resources Publications. 1991. 453 s. ISBN 0-918334-72-1.
MAREŠOVÁ, Ivana. Odpory proudu v korytech s hrubozrnným dnem. Kandidátská disertační práce. Praha : ČVUT, Stavební fakulta. 1992. 143 s.
KLOUČEK, Roman. Vliv vybraných parametrů na hydraulickou drsnost říčních koryt. Diplomová práce. Praha : ČVUT, Stavební fakulta. 2008. 87 s.

V Brně dne 1.1.2012 Ing. Lukáš Smelík, Ing. Hana Uhmannová, CSc., Ing. Lucie Foltýnová

Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně

Page updated

Google Sites

Report abuse