VJEBE 2

Split, 20. listopad 2009Veljko Srzi, dipl.ing.

Protok biolokog minimuma

(Ekoloki prihvatljiv protok)

Koritenje vode iz otvorenih tokova:

o plovidba

o proizvodnja hidroenergije

o rekreacija

o ouvanje kakvoe vode

o ouvanje stanita

o postojanost ekosustava

o ouvanje akvatine flore i faune

o turizam

o industrija

o ..

Nije doputeno u potpunosti pregraditi rijeni profil i prekinuti prirodni dotok u nizvodni dio rijenog korita.

Potrebno je osigurati konstantno isputanje koliine vode radi ouvanja prirodnog uvjeta vodotoka.

U tu svrhu u tijelu brane postoje objekti koji slue u te svrhe (temeljni ispusti, cjevovodi biolokog minimuma.)

U Hrvatskoj se koristi termin bioloki minimum dok se u svijetu koristi nekoliko termina od kojih danas prevladava Ekoloki Prihvatljiv Protok (EPP) .

Postoje brojni problemi i nerijeene dileme oko definiranja potrebne koliine vode koja predstavlja BM ili EPP, to u konanici rezultira velikim brojem metoda i pristupa razvijenih u svrhu odreivanja navedenih veliina.

Kriteriji za odreivanje EPP nisu uvijek samo ekoloke prirode, tj. ne slue samo za ouvanje akvatinih biljnih i ivotinjskih vrsta, ve se odnose i i na ispunjavanje zahtjeva ostalih korisnika vodnih resusrsa.

Utjecaj geometrije poprenog presjeka raspoloivog za protok

Kod odreivanja protoka biolokog minimuma, treba uzeti u obzir i varijabilnost poprene povrine raspoloive za protok. Iz zakona odranja lako se zakljuuje da isti protok od presjeka do presjeka daje razliite dubine vode. To moe rezultirati nedovoljnom dubinom vode za potrebe migracija ihtiolokog fonda.

ZADATAK 1ZADATAK 1. Za zadane podatke (hidrogram, geometrija poprenog presjeka i krivulja trajanja) potrebno je definirati protok BIOLOKOG MINIMUMA na promatranom presjeku.

Metoda za proraun biolokog minimuma ima na desetke i njihov broj svakim danom sve vie raste. To samo pokazuje da ne postoji dobro, sveobuhvatno rjeenje za odreivanje istog. Na narednim stranicama prikazani su izrazi podijeljeni u grupe prema nainu prorauna. Svaki izraz zasebno daje vrijednost koju je mogue koristiti u smislu definiranja minimalnog potrebnog protoka. Uzagradama se nalazi ime drave ili regije gdje se metoda koristi ili od tamo dolazi.

U ovoj grupi metoda vrijednost protoka biolokog minimuma ovisiti e o statistikim vrijednostima protoka rijeke u promatranom profilu.

Metode zasnovane na hidrolokim ili statistikim vrijednostima

86,1=SRQ ( )sm /319,0%10 == SRBIO QQ ( )sm /3

- 10% Q (A)Protok biolokog minimuma treba biti vei od 10% srednje vrijednosti protoka, to znai da se mijenja ovisno o vremenu. Ova metoda zahtjeva kontinuirano mjerenje protoka na razliitim presjecima vodotoka, to nije uvijek jednostavno.Srednja vrijednost protoka:

09,0%5 == SRMINBIO QQ ( )sm /319,0%10 == SRMAXBIO QQ ( )sm /3

- Lanser (A)Ova metoda predlae vrijednost u intervalu 5-10% srednjeg QSR.

28,0%15 == SRBIO QQ ( )sm /3- Jager (A)Uzimajui u obzir vanost riblje populacije metoda predlae vrijednost od 15% srednjeg godinjeg protoka QSR.

- Steinbach (A)Protok biolokog minimuma treba biti barem jednak minimalnom srednjem protoku mjerenom na dugotrajnoj vremenskoj bazi te na kraju podijeljen na zimski i ljetni period.

19,0%10 == SRMINBIO QQ ( )sm /312,1%60 == SRMAXBIO QQ ( )sm /3

- Montana (USA)Definicija metode ovisi o vanosti ribolova:

- visoka ekonomska vanost ribolova: 40-60% QSR- mala vanost ribolova: 10% QSR

47,1== MINSRBIO QQ ( )sm /3

29,0%20 == MINSRMINBIO QQ

( )sm /374,0%50 == MINSRMAXBIO QQ( )sm /3

- Rheinland-Pfalz (D)Protok biolokog minimuma intervalu 20-50%

.

80,0300 =Q ( )sm /316,0%20 300 == QQBIO ( )sm /3

- Alarm limit value (CH)Kao protok biolokog minimuma potreban da bi se osigurali ekoloki zahtjevi vodotoka potrebno je uzeti 20% od Q300 (protok koji je u razdoblju od godine dana na raspolaganju barem 300 dana).

- Sawall i Simon (D)Protok biolokog minimuma treba biti u intervalu 7-100% , to odgovara minimalnom srednjem protoku u kolovozu.

42,0, =MINAUGSRQ ( )sm /3

03,0%7 , == MINAUGSRMINBIO QQ ( )sm /3

42,0, == MINAUGSRMAXBIO QQ ( )sm /3

75,02003 =Q ( )sm /345,12004 =Q ( )sm /3

10,12

20042003 =+= QQQBIO ( )sm /3

- Fitting to FDC (USA)Protok biolokog minimuma treba biti srednja vrijednost razlike izmeu sune i kine godine protoka koji tee due od 84% trajanja jedne godine.

Prednosti metoda opisanih u poglavlju

- laka primjena pod pretpostavkom da imamo dobre temeljne podatke- prirodna odstupanja u mjerenju se mogu uzeti u obzir- mogunost grube procjene ekonomine proizvodnje energije

Nedostaci metoda opisanih u poglavlju

- teoretske formule koje daju rezultate koje treba uzeti s rezervom- QMIN moe biti lako podcijenjena- ne uzimaju se u obzir hidrauliki parametri toka- utjecaj pritoka nisu uzeti u obzir- metode nisu pogodne za sluajeve meusobnog utjecaja vodotok-vodotok

Metode zasnovane na na dubini i brzini vode

5,03,0 =v ( )sm /10=wh ( )cm

5=KORb ( )m15,0== KORwMINMINBIO bhvQ ( )sm /325,0== KORwMAXMAXBIO bhvQ ( )sm /3

- Steiermark, Karten (A)Na podruju izmeu pregrade i odvodnog sustava brzina vode u sluaju residualnog protoka ne smije pasti ispod predodreene ulazne brzine od 0,3-0,5 m/s. Minimalna dubina vode mora biti vea od 10 cm.

5,03,0 =v ( )sm /2410=wh ( )cm

5=KORb ( )m72,0== KORMINwMINMINBIO bhvQ ( )sm /388,2== KORMAXwMAXMAXBIO bhvQ ( )sm /3

- Oregon (USA)Na iscrpljenom predjelu vodotoka brzina vode u sluaju protoka biolokog minimuma, ne smije pasti ispod predodreene ulazne brzine od 1,2-2,4 m/s. Minimalna dubina vode mora biti vea od 12-24 cm.

0,1=v ( )sm /20=wh ( )cm

5=KORb ( )m0,1== KORwBIO bhvQ ( )sm /3

- Obersterreich (A)Na iscrpljenom predjelu vodotoka minimalna dubina vode mora biti vea od 20 cm.

Prednosti metoda opisanih u poglavlju

- karakteristike glavnog toka su sauvane- oblik profila se moe uzeti u obzir prilikom prorauna- zaseban pristup svakom vodotoku- podaci o protocima nepotrebni

Nedostaci metoda opisanih u poglavlju

- nagib vodnog lica i reim teenja nisu uzeti u obzir- bez popravke mjerenja kod vodotoka sa irokim vodnim licem ove metode daju velike vrijednosti protoka biolokog minimuma- opravdano koritenje samo za posebnu vrstu odvojenih presjeka- kod planinskih tokova daju nerealne vrijednosti poetne dubine vode- pogodni samo za posebnu tipologiju rijeka

GRAFIKI PRIKAZ REZULTATA PO METODAMA

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

10%Q

sr

Lans

er

Jage

rMo

ntana

Stein

bach

Rhein

land-P

f.

ALV

Sawa

ll,Sim

on

FFDC

Stein

mark

Oreg

onOb

eros

terrei

ch

METODA

Q

(

m

3

/

s

)

MINIMALNA VRIJEDNOSTMAKSIMALNA VRIJEDNOST

Tlani objekti za isputanje i iskoritenje protoka biolokog

minimuma

(RJEENJA I DIMENZIONIRANJE)

Primjer rjeenja cjevovoda biolokog minimuma u samom tijelu betonske gravitacijske brane HE Lee.

Model cjevovoda biolokog minimuma i popreni presjek kroz slapite HE Lee (temeljni ispust).

Primjer rjeenja cjevovoda temeljnog ispusta HE postrojenja pribranskog tipa (HE Lee)

Izlaz temeljnog ispusta u slapitu

Primjer rjeenja cjevovoda biolokog minimuma kod HE postrojenja derivacijskog tipa (HE Kraljevac)

Cjevovod BM-a rava se iz nadzemnog tlanog cjevovoda i vodi do agregata biolokog minimuma u strojarnici.

Hidrauliki proraun stacionarnog teenja u cjevovodu

Postupak dimenzioniranja u nastavku odnosi se na cjevovode biolokog minimuma koji ne izlazu imaju tlak razliit od nule, dakle promatraju se tlani objekti iji se protok takoer koristi u svrhu pretvorbe potencijalne i kinetike energije vode u mehaniku pa dalje u elektrinu.

Gubici na reetci

Jedna od glavnih zadaa reetke na ulaznoj graevini je da se koliina naneenogotpada smanji na najmanju moguu mjeru. Zbog toga se reetke postavljaju na samom poetku graevine.

Napravljene su od vie paralelnih meusobno povezanih metalnih ipki. Udaljenost izmeu njih varira od 12 mm svijetlog otvora za male visokotlane Peltonturbine pa sve do 150 mm za velike turbine s propelerima (ovisi o tome kojeg je tipa turbina na agregatu BIOLOKOG MINIMUMA)

Reetka se dimenzionira tako da brzina vode V0 bude izmeu 0,60 (m/s) i 1,50 (m/s). Najvei dozvoljeni razmak izmeu ipki daju proizvoai turbina. Obino oni iznose 20-30 mm za Pelton turbine, 40-50 mm za Francis turbine i 80-100 mm za Kaplan turbine.

Za vrijeme kinih sezona u vodotok dospijeva velik broj krutog otpada pa je poeljno ispred primarne reetke ugraditi jo jednu, s pokretnim, iroko postavljenim ipkama kako bi se smanjio rad opreme za ienje reetke.

PRIJELAZNI DIO

VERTIKALNO KOLJENO

HORIZONTALNO KOLJENO

ULAZNA GRAEVINA

Prikazane jednadbe se iskljuivo koriste za reetke s pravokutnim ipkama, ali iz iskustva se pokazalo da se mogu koristiti i za druge vrste poprenih presjeka ipki.ienje reetki je takoer vrlo vano prilikom smanjenja gubitaka u sustavu. Za vrijeme visokog nivoa vode runo ienje je vrlo teko za izvesti pa se preporuuje mehaniko.

ZADATAK 2ZADATAK 2. Za zadane podatke izraunati gubitke na ulaznoj reetci.

Gubici na ulazu

Gubici na ulazu ovise o oblikovanju ulaza u cjevovod.

- neoblikovan ulaz: UL= 0,50- zvonast ulaz: UL= 0,20 0,25- hidrauliki oblikovan: UL= 0,05 0,10

gv

H ULUL 2

2

= (m)

Gubici u koljenu cjevovoda

Gubici na koljenu proraunavaju se pomou slijedeeg izraza:

gvH KOLJKOLJ 2

2

= gdje je KOLJ koeficijent gubitka u koljenu a ovisi o zakrivljenosti koljena.

(m)

KONST vAQ ==

g2v

DLH

2

LIN =

Linijski gubici u cjevovodu

Hidrauliki proraun stacionarnog teenja u cijevima pod tlakom zasnovan je na jednadbi kontinuiteta i na pretpostavci da je tekuina nestlaiva. U dugakim cijevnim sustavima na teenje najvei utjecaj imaju sile otpora (trenja), pri emu se na savladavanje otpora gubi dio raspoloivog tlaka. Za bilo koji popreni presjek vrijedi jednadba kontinuiteta:

gdje je: Q- protok A- povrina poprenog presjeka v- srednja brzina u presjeku

Gubitak tlaka (energije) se rauna po Darcy-Weisbachovoj formuli:

(m)

(m3/s)

gdje je: HLIN- gubitak tlaka u cjevovodu - koeficijent trenja L- duina cjevovodaD- promjer cjevovodav- srednja brzina u presjeku g- ubrzanje sile tee

Koeficijent trenja je bezdimenzionalan broj i openito ovisi o relativnoj hrapavosti cijevi i viskoznosti tekuine, te o reimu teenja i odreuje se po izrazu Colebrook-White:

2

Re35,9log214,1

1

+=

Dk

gdje je: Re- Reynoldsov brojk- apsolutna hidraulika hrapavost

vD=Re

610139,1 =

Apsolutna hidraulika hrapavost ovisi o stanju unutranje povrine te o materijalu od kojeg je cijev proizvedena. Za novu cijev od polietilena koeficijent apsolutne hidraulike hrapavosti iznosi k=0,002 mm.Reynoldsov broj je jednak:

gdje je: - koeficijent kinematike viskoznostiParametar kinematike viskoznosti ovisi o vrsti fluida, tlaku i temperaturi. Za temperatutuvode od 150C koeficijent iznosi

(m2/s)

Gubici na ventilima cjevovoda

Kao predturbinski zatvarai mogu se koristiti leptirasti ili kuglasti zatvarai. Oba tipa su brzi sigurnosni zatvarai koji zatvaraju pod jednostranim pritiskom, a otvaraju kod obostranog izjednaenog pritiska. Leptirasti zatvarai upotrebljavaju se kod pada do 200 m, laki su i imaju vei hidrauliki gubitak. Kuglasti zatvarai su tei, praktino su bez ili sa vrlo malim i zanemarivim hidraulikim gubitkom. U ovom projektu koriste se kuglasti zatvarai.

Gubici na ventilima ili zatvaraima se proraunavaju pomou koeficijenta gubitka VENT:

gvH VENTVENT 2

2

=

Koeficijent gubitka za kuglaste zatvarae iznosi VENT= 0,05.

(m)

Kad su odreeni svi gubici koji se javljaju u cjevovodu moe se odrediti ukupan pad tlaka kao njihov zbroj

VENT3 LIN2 KOLJ2 LIN1 KOLJ1 LINULREUK HHHHHHHHH +++++++= (m)

CJEVOVOD BIOLOKOG MINIMUMA

AGREGAT BIOLOKOG MINIMUMA

ZADATAK 3ZADATAK 3. Prema prethodno navedenim izrazima potrebno je izraunati piezometarska stanja u cjevovodu biolokog minimuma za protoke 5.0 i 6.0 (m3/s). Za elinu cijev koeficijent apsolutne hidraulike hrapavosti iznosi k=0,1 mm.Duljina dijela cjevovoda od zahvata do horizontalnog koljena iznosi L1= 22,97 m, dio cjevovoda od horizontalnog do vertikalnog koljena je L2= 351,44 m, a od vertikalnog koljena do ulaza u turbinu L3= 115,04 m. Ukupna duljina cjevovoda iznosi L= L1+ L2+ L3= 489,45 m.Kota gornje vode na zahvatu je 76,82 m n. m., a kota donje vode je 57,30 m n. m..Promjer cijevi je 1.0 m, oblik i geometriju ulazne graevine i reetke odabrati proizvoljno.

Gubici na reetci

c= 1,20 (meh. ienje)

=60

Gubici na ulazu

UL= 0,07

gv

H ULUL 2

2

= (m)

Gubici u koljenu cjevovoda

gvH KOLJKOLJ 2

2

= (m)Linijski gubici u cjevovodu

g2v

DLH

2

LIN = (m) 2Re

35,9log214,1

1

+=

Dk

vD=Re

VENT= 0,05(m)

Gubici na ventilu

gvH VENTVENT 2

2

=