JAVNO VODOPRIVREDNO PREDUZEĆE "VODE VOJVODINE", NOVI SAD

IZRADA 3D MODELA KORITA KANALA DKM HS DTD ZA POTREBE HIDRAULIČKIH MODELIRANJA

- FAZA II -

Univerzitet u Novom Sadu, Poljoprivredni fakultet Departman za uređenje voda

Novi Sad, 2012

JAVNO VODOPRIVREDNO PREDUZEĆE "VODE VOJVODINE", NOVI SAD

TEMA

IZRADA 3D MODELA KORITA KANALA DKM HS DTD ZA POTREBE HIDRAULIČKIH MODELIRANJA

- FAZA II -

NAUČNO-ISTRAŽIVAČKI PROJEKAT

ZAŠTITA OD ŠTETNOG DEJSTVA VODA NA PODRUČJU VOJVODINE

Rukovodilac izrade Teme

mr Atila Bezdan

Direktor Departmana za uređenje voda

Prof. dr Radovan Savić

Dekan Poljoprivrednog fakulteta

Prof. dr Milan Popović

Univerzitet u Novom Sadu, Poljoprivredni fakultet Departman za uređenje voda

Novi Sad, 2012

Osnovni podaci o ugovoru za izradu Projekta

Tema "IZRADA 3D MODELA KORITA KANALA DKM HS DTD ZA POTREBE HIDRAULIČKIH MODELIRANJA, FAZA II" u okviru naučno-istraživačkog projekta "ZAŠTITA OD ŠTETNOG DEJSTVA VODA NA PODRUČJU VOJVODINE" realizovana je po Ugovorima zaključenim između Javnog vodoprivrednog preduzeća "Vode Vojvodine" kao naručioca i Poljoprivrednog fakulteta, Departmana za uređenje voda iz Novog Sada, kao Izvršioca. Pomenuti Ugovori se vode kod naručioca pod brojem I-114/40 od 03.05.2012. godine, a kod Izvršioca pod br. 8000-492/1 od 08.05.2012. godine.

Učesnici u izradi Teme:

• mr Atila Bezdan, rukovodilac izrade Teme

• dr Pavel Benka, saradnik

• dr Jasna Grabić, saradnik

SADRŽAJ 1. UVOD 1 2. MATERIJAL I METODE RADA 2 2.1. Programski paket HEC-RAS 2 2.1.1. Stacionarno tečenje 2 2.1.2. Simulacija neustaljenog tečenja 3 2.1.3. Proračun transporta sedimenata odnosno promena oblika poprečnog preseka 3 2.1.4. Analiza kvaliteta vode 3 2.2. HEC-GeoRAS 4 2.3. Pregled područja - glavni kanal sistema za odvodnjavanje Plavna 5 3. METODOLOGIJA IZRADE 3D MODELA SNIMLJENOG I MODIFIKOVANOG KORITA KANALA 7 3.1. Unos snimljenih poprečnih profila u program HEC-RAS 8 3.2. Korekcija položaja snimljenih poprečnih profila 11 3.3. Georeferenciranje snimljenih poprečnih profila 21 3.4. Modifikacija geometrijskog oblika snimljenih poprečnih profila za potrebe izrade projekata izmuljenja kanala 22 3.5. Kreiranje hidrauličkih modela i generisanje izlaznih fajlova radi učitavanja podataka u GIS okruženje 25 3.6. Kreiranje 3D modela kanala 31 4. ZAKLJUČAK 37 5. LITERATURA 38 REZIME 39 ABSTRACT 39

1

1. UVOD

Upravljanje i gazdovanje sistemima za odvodnjavanje zahteva pristup velikom broju informacija o svima objektima koje su sastavni deo hidrosistema. Kao dobro rešenje za prikupljanje, obradu, čuvanje i rukovanje podacima o različitim objektima na određenom prostoru nameće se upotreba geografskog informacionog sistema. Posedovanje tačnih i preciznih podataka o svim komponentama sistema, što podrazumeva georeferencirane podatke smeštene u geografski informacioni sistem, omogućuje izradu odgovarajućih planova eksploatacije i održavanja sistema i pruža neophodne podloge za projekte rekonstrukcije objekata na sistemu. Efikasnost sistema za odvodnjavanje u velikoj meri zavisi od stanja kanalske mreže, pre svega od stanja glavnog kanala. Vremenom, tokom eksploatacije zbog različitih uticaja pojedinih klimatskih, bioloških, eksploatacionih i drugih faktora, kanali gube planirane sposobnosti (smanjuje se propusna i prijemna moć), što može prouzrokovati različite nepravilnosti u funkcionisanju sistema i povećati troškove eksploatacije. U tehničkoj dokumentaciji za trase kanala postoji projektovano stanje svakog kanala u obliku podužnog i poprečnih preseka kanala. Međutim, kao što je već rečeno, usled tečenja vode, erozije i drugih uticaja oblik korita u vodotoku se vremenom menja i odstupa od projektovanog stanja. Projekti rekonstrukcije i izmuljenja kanala baziraju se na projektovanom stanju kanala, a do optimalnih i najefikasnijih rešenja dolazi se putem hidrauličkog modeliranja. Kao jedan od koraka koji je neophodan za hidraulička modeliranja i analize jeste 3D model korita kanala detaljne kanalske mreže sa pripadajućim vodoprivrednim objektima na ovim kanalima.

Potreba za izradom ove studije proistekla je iz ranijih istraživanja u kojima su korišćeni softverski alati koji se primenjuju za hidraulička modeliranja i GIS prikaze (Benka i sar., 2009, 2010, 2011; Salvai i sar., 2006, 2007, 2008). Sagledavanjem realnog stanja kanalske mreže i njenih performansi primenom hidrauličkih modeliranja, nametnula se potreba za izradom posebne studije u kojoj će na sistematičan način kroz razvijanje posebne metodologije biti objašnjen unos geometrijskih karakteristika kanala u geografski informacioni sistem i formiranje 3D modela snimljenog stanja korita kanala. Primenom ove metodologije će se moći masovnije realizovati unos geometrijskih podataka kanala u GIS i time omogućiti sveobuhvatnije uvid u stanje kanala detaljne kanalske mreže.

U okviru ove studije utvrdiće se metodologija potrebna za formiranje 3D modela snimljenog stanja korita kanala i unos geometrijskih karakteristika kanala u geografski informacioni sistem. Ovako formirani prostorni podaci o kanalima detaljne kanalske mreže bi omogućili hidraulička modeliranja i analize tečenja vode u kanalima na osnovu kojih bi se moglo upravljati režimima tečenja u pojedinim delovima sistema, ali i utvrditi kritične deonice gde je potrebno intervenisati kako bi se postigli optimalni režimi tečenja. Metodologija će biti primenjena na deonici glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna.

2

2. MATERIJAL I METODE RADA

Metodologija za unos geometrijskih karakteristika snimljenog stanja kanala DKM u geografski informacioni sistem (GIS) podrazumeva korišćenje neophodnih softverskih alata (ArcGIS, HEC-GeoRAS i HEC-RAS) i korišćenje rezultata geodetskog snimanja kanala. U nastavku sledi kratak prikaz softvera koji će se koristiti, a sama metodologija će biti prikazana na primeru deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna.

2.1. Programski paket HEC-RAS

Program HEC-RAS omogućava hidrauličke proračune linijskih modela kretanja vode i nanosa i analizu kvaliteta vode u otvorenim tokovima za slučaj stacionarnog i nestacionarnog tečenja, (USACE, 2010a, 2010b). Za razliku od njegove prve verzije pod imenom HEC-2 (NRC, 1983), (USACE, 1990), koja je korišćena za proračune u granicama stacionarnog tečenja, HEC-RAS sadrži znatna unapređenja kako sa aspekta inženjerske hidraulike, tako i sa aspekta računarske tehnike. Prva verzija HEC-RAS-a je napravljena 1995. godine, i od tada je izašlo nekoliko novih verzija. Treba napomenuti da je svaka nova verzija programa dosta unapređena u odnosu na prethodnu, što se ogleda u pojedinim karakteristikama, mogućnostima i dijapazonu rada programa. HEC–RAS je razvijen od strane vojno-inženjerskog tima SAD-a. Program je dostupan stručnoj javnosti i besplatan je za korišćenje ( http://www.hec.usace.army.mil ). U nastavku će podrobnije biti objašnjene osnovne odlike ovog programa sa područjima primene. HEC–RAS je osmišljen tako da izvršava linijske (jednodimenzionalne) hidrauličke proračune za celokupnu hidrografsku mrežu prirodnih ili veštačkih vodotoka sa različitim formama poprečnog preseka, odnosno, služi za proračune linijskih modela kretanja vode, nanosa i parametara kvaliteta vode u otvorenim tokovima: • izračunavanje linije nivoa vodenog ogledala u uslovima stacionarnog tečenja,

• simulacije nestacionarnog tečenja,

• proračun transporta nanosa, odnosno promena oblika poprečnog preseka i

• analiza kvaliteta vode. HEC-RAS je integrisan sistem softvera, dizajniran za interaktivno korišćenje u više programskom i više korisničkom okruženju. Sistem je sastavljen od grafičkog korisničkog interfejsa, posebnih komponenti hidrauličke analize, skladištenja podataka i upravljačkih sposobnosti. Sledi opis glavnih hidrauličkih sposobnosti HEC-RAS-a.

2.1.1. Stacionarno tečenje Svrha ove komponente je izračunavanje nivoa površine vode za postepeno promenljiv proticaj. Sistem može da izvrši proračune za jednu deonicu vodotoka, ili kompletnu mrežu prirodnih i veštačkih tokova za miran, turbulentan ili mešoviti režim tečenja. Osnova izračunavanja zasniva se na rešavanju jednačine energije. Energetski gubici se računaju na osnovu trenja (jednačina Manning-a) i proširenja

3

odnosno suženja. Dinamička jednačina (jednačina količine kretanja) je korišćena u situacijama gde je profil vodene površine naglo promenljiv. Efekti različitih prepreka, kao što su mostovi, brane, prelivi i druge građevine mogu se uzeti u obzir u proračunu. Ova komponenta sistema je dizajnirana za primenu u upravljanju plavnim područjima i studijama osiguranja od velikih voda, radi procene prelaznih granica poplavnog talasa.

2.1.2. Simulacija neustaljenog tečenja Ova komponenta HEC-RAS sistema za modeliranje ima mogućnost simulacije jednodimenzionalnog neustaljenog proticaja kroz celokupnu mrežu otvorenih tokova. Hidraulička izračunavanja za poprečne preseke, mostove, propuste i ostale hidrauličke strukture koje su razvijene za komponente ustaljenog toka ubačene su u modul neustaljenog toka. Dodatno, komponente neustaljenog toka imaju mogućnost proračuna rušenja brane, prelivanja preko krune nasipa, proboj nasipa, a takođe mogu da izvrše analize i proračune rada crpnih stanica, prevodnica i sistema pod pritiskom.

2.1.3. Proračun transporta sedimenata odnosno promena oblika poprečnog preseka

Ova komponenta sistema omogućava izračunavanja jednodimenzionalnog transporta sedimenata i promene geometrijskog oblika korita vodotoka kao rezultat erozionih procesa u toku vremena. Potencijal transporta sedimenata-nanosa se izračunava se na osnovu veličine zrna frakcije, omogućavajući na taj način simulaciju hidrauličkog sortiranja (selektivnog taloženja). Glavne karakteristike uključuju mogućnost modeliranja kompletne mreže vodotokova, simulacije izmuljenja vodotoka, modeliranje nasipa i geometrijskog oblika korita i mogućnost korišćenja različitih jednačina za izračunavanje transporta sedimenata odnosno nanosa. Model je dizajniran da omogućava izvršenje simulacija dugoročnih trendova erozionih procesa u vodotokovima (odnošenje i deponovanje nanosa) koji mogu nastati kao rezultat učestalih promena protoka i vodostaja ili usled modifikacije geometrije vodotoka. Sistem može biti korišćen za procenu taloženja sedimenata u akumulacijama, za dizajniranje kontrakcija kanala koja je zahtevana u cilju održavanja plovidbenih dubina, procena uticaja izmuljenja vodotoka na brzinu transporta i taloženja sedimenata i procena maksimalnog mogućeg podlokavanja obala tokom pojave velikih voda.

2.1.4. Analiza kvaliteta vode Ova komponenta sistema omogućava izvođenje analiza kvaliteta vode vodotokova. Aktuelna verzija programskog paketa HEC-RAS omogućava izvođenje detaljne analize promene temperature vode i analizu transporta određenog broja parametara kvaliteta vode kao što su to alge, rastvoreni kiseonik, biohemijska potrošnja kiseonika, ugljenične organske materije, rastvoreni ortofosfati, rastvoreni organski fosfor, rastvoreni amonijačni azot, rastvoreni nitritni azot, rastvoreni nitratni azot i rastvoreni organski azot. Naredne verzije ovog programskog paketa omogućiće analizu transporta i drugih dodatnih parametara kvaliteta vode.

4

2.2. HEC-GeoRAS

HEC-GeoRAS je skup alata i uslužnih programa za obradu prostornih podataka u programskom paketu ArcGIS, (USACE, 2011). On omogućava pripremu neophodnih geometrijskih podataka za unos u program HEC-RAS kao i obradu izlaznih rezultata proračuna HEC-RAS-a. Da bi se kreirao izlazni fajl, korisnik mora da poseduje postojeći digitalni model terena (DEM) sliva ili mreže vodotoka u formi TIN-a ili GRID-a. Pomoću HEC-GeoRAS-a korisnik kreira serije GIS slojeva tačaka, linija i poligona da bi formirao geometrijske podatke potrebne za HEC-RAS. Linijski GIS slojevi mogu biti centralne linije vodotoka, centralne linije strujanja vode, obale glavnog vodotoka i linije poprečnih preseka. Mogu se po potrebi kreirati i dodatni GIS slojevi kao što su nasipi, blokirajuće prepreke, mostovi, propusti, podužne i poprečne građevine, retenzije, zone zanemarljivog protoka, kao i slojevi načina korišćenja zemljišta (vrednosti Maningovog koeficijenta hrapavosti). Pre izvršavanja hidrauličkih podataka u programu HEC-RAS neophodno je učitati geometrijske podatke i uneti podatke vezane za protoke i ostale hidrauličke parametre. Nakon izvršenja hidrauličkih proračuna izlazni rezultati, kao što su profili vodene površine i drugi, mogu se učitati nazad u GIS radi dalje prostorne analize i vizualizacije. Za rad sa HEC-GeoRAS-om neophodno je da korisnik poseduje izvesno iskustvo vezano za geografske informacione sisteme i određeno predznanje iz oblasti hidraulike otvorenih tokova da bi na adekvatan način mogao da interpretira GIS podatke i rezultate analiza. Neophodni softverski zahtevi za rad HEC-GeoRAS-a (verzija 10 ili 4.3.93) su operativni sistem Microsoft Windows, instaliran programski paket ArcGIS (10.0 ili 9.3) sa dodacima 3D Analyst i Spatial Analyst i instaliran programski paket HEC-RAS verzija 4.0 ili novija. Takođe, HEC-GeoRAS zahteva i postojanje digitalnog modela terena u formi TIN-a ili GRID-a.

5

2.3. Pregled područja - deonica glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna

Metodologija izrade 3D modela korita primenjena je na deonici glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna, od stacionaže 0+000 do 8+800 km. Sistem za odvodnjavanje Plavna se nalazi u jugozapadnom delu Bačke (slika 1), na melioracionom području vodoprivredne organizacije "Dunav" iz Bačke Palanke. Čitavo područje, zajedno sa susednim sistemom za odvodnjavanje Labudnjača, omeđeno je rekom Dunav sa severne, zapadne i južne strane, položeno na aluvijalnoj ravni i aluvijalnoj terasi. Prema glavnom projektu odvodnjavanja sliva Plavna (Stejin, 1969) površina koja se odvodnjava iznosi 12542 ha. Poljoprivredna proizvodnja koja se odvija na 2/3 ovog sistema za odvodnjavanje zavisi od efikasnosti rada sistema. Ukupan broj podslivova (kanala I reda) iznosi 21. Najveći sliv ima kanal 1.05 od 1594,4 ha koji odvodnjava lesnu terasu severoistočno od Vajske. Prosečne veličine važnijih slivova kreću se oko 550 ha. Dužina glavnog plavanskog kanala iznosi 24,85 km. Ukupna dužina mreže kanala sliva Plavna iznosi 258253 m, što je po jedinici površine za sliv od 12542 ha iznosi 20,6 m/ha. Gustina kanala spada u srednju grupu. Prosečno rastojanje kanala iznosi 486 m što je blizu preporuke poljoprivredne podloge od 400 m rastojanja.

Slika 1. Sistem za odvodnjavanje Plavna

Projektom su predviđeni poprečni profili uobičajenog trapeznog oblika, sa širinom dna od 0,60 m u kanalima najnižeg reda do 7,00 m u glavnom kanalu. Nagib kosina kanala odabran je na osnovu geotehničkog elaborata. U glavnom kanalu nagibi kosina su 1:2, osim na deonici od 10+330 do 14+175 km gde je zbog peskovitog dna preporučen nagib 1:3. U geotehničkom elaboratu izvršena je analiza stabilnosti

6

kosina za neke deonice glavnog kanala i preporučen je nagib 1:1,5 kao stabilan sa koeficijentom sigurnosti oko 1,60. Analizirajući nagibe postojećeg kanala došlo se do zaključka da je preporučljivo primeniti nagib na 1:2, jer se taj nagib pokazuje stabilniji i bolje se uklapa u prirodni, stabilni deo profila. Ovaj nagib je usvojen i s obzirom na preporuku da se za kanale nižeg reda primeni nagib 1:2 zbog heterogenosti materijala. Proračunata vrednost hidromodula odvodnjavanja sistema je 0,48 l/s/ha, a ukupni proticaj iznosi 7,75 m3/s. Hidraulički proračun kanalske mreže je vršen po Maningovoj formuli sa usvojenim koeficijentom hrapavosti od 0,035 koju američka praksa preporučuje za male kanale sa srednjim intenzitetom održavanja.

7

3. METODOLOGIJA IZRADE 3D MODELA SNIMLJENOG i MODIFIKOVANOG KORITA KANALA

Uobičajena je praksa da se prilikom geodetskog snimanja poprečnih profila kanala DKM koristi klasična metoda nivelmana. Kao rezultat dobijaju se podaci o nadmorskoj visini svake tačke profila i rastojanje tačaka od početne tačke profila. Mana ovakvog načina snimanja poprečnih profila kanala jeste da snimljenim tačkama nisu dodeljene X i Y koordinate položaja u odgovarajućem koordinatnom sistemu. Da bi se snimljeno stanje kanala unelo u GIS, neophodno je da svi podaci koji definišu kanal budu prostorno definisani, odnosno georeferencirani. To znači da se u ovom slučaju georeferenciranje snimljenog kanala mora izvršiti na osnovu prethodno unetog i georeferenciranog projektovanog stanja kanala. Pored toga, javlja se i još jedan problem, a to je da se prilikom geodetskog snimanja kanala neravnomerno zahvataju i delovi leve i desne obale tako da samo korito kanala najčešće nije centrirano. To dovodi do teškoća prilikom georeferenciranja snimljenog stanja u odnosu na projektovano. S obzirom na to, korišćenje ovakvih podataka za potrebe kreiranja 3D modela snimljenog korita kanala zahteva primenu sledećeg postupka:

• digitalizacija trase kanala na osnovu georeferencirane kartografske podloge,

• unos projektovanih poprečnih profila iz projektne dokumentacije,

• unos snimljenih poprečnih profila korišćenjem rezultata geodetskog snimanja,

• korekcija položaja snimljenih profila prema projektovanim,

• kreiranje 3D modela snimljenog korita kanala. Ovaj postupak izrade 3D modela snimljenog korita kanala je u studiji detaljno obrađen na primeru deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna. Ukoliko bi se prilikom geodetskog snimanja kanala koristili savremeni geodetski instrumenti kao što su totalne stanice ili GPS uređaji visoke preciznosti, tada bi se kao rezultat snimanja dobile tačke poprečnih profila koje bi u potpunosti bile prostorno definisane nadmorskom visinom, X i Y koordinatama položaja u odgovarajućem koordinatnom sistemu, odnosno snimljeni kanal bi bio georeferenciran. U tom slučaju kreiranje 3D modela snimljenog i projektovanog korita kanala zahtevao bi sledeći postupak:

• unos snimljenih georeferenciranih poprečnih profila kanala,

• digitalizacija trase kanala na osnovu snimljenih poprečnih profila i na osnovu kartografske podloge,

• kreiranje 3D modela snimljenog korita kanala

• unos projektovanih poprečnih profila iz projektne dokumentacije,

• korekcija položaja projektovanih profila prema snimljenim.

• kreiranje 3D modela projektovanog korita kanala Ovaj postupak kreiranja 3D modela snimljenog i projektovanog korita kanala nije detaljno razmatran u studiji.

8

3.1 Unos snimljenih poprečnih profila u program HEC-RAS

3D model snimljenog korita kanala se kreira na osnovu poprečnih profila čiji se unos vrši u programu HEC-RAS. Pre unosa poprečnih profila u program se mora učitati trasa kanala za koju će profili biti vezani. U prethodnoj fazi izrade studije (Benka i sar., 2011) izvršen je unos projektovanog stanja deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna u program HEC-RAS i u GIS okruženje. U okviru toga izvršena je i digitalizacija trase kanala na osnovu georeferencirane karte u razmeri 1:25000. Za unos snimljenih poprečnih profila iskoristiće se digitalizovana trasa kanala u prvoj fazi izrade studije na način koji je detaljno opisan u nastavku. Trasa deonice kanala je digitalizovana u programu HEC-GeoRAS i u tom programu je kreiran i izlazni GeoRAS fajl koji sadrži podatke o trasi kanala. Kao što je rečeno, unos snimljenih poprečnih profila će se izvršiti u programu HEC-RAS i na samom početku, potrebno je snimiti projekat (File - Save Project As) u odabrani radni direktorijum u kom će biti smešteni svi radni fajlovi. Učitavanje GeoRAS izlaznog fajla vrši se u odeljku "Geometric Data" odabirom opcije "File - Import Geometry – GIS Format" i selektovanjem GeoRAS izlaznog fajla "GIS2RAS.RASImport.sdf". Potrebno je izabrati "SI (metrički) sistem jedinica" i selektovati odgovarajući vodotok (npr. deonica gl. kanala Plavna), slika 2. Nakon toga, u "Geometric Data" prozoru će se prikazati trasa kanala, slika 3.

Slika 2. Učitavanje GeoRAS izlaznog fajla u HEC-RAS

Slika 3. Prikaz učitane trase kanala u programu HEC-RAS

9

Geometrijske karakteristike vodotoka su definisane trasom vodotoka i poprečnim profilima. Zbog toga je u narednom koraku potrebno izvršiti unos poprečnih profila. Za unos poprečnih profila kanala koristiće se rezultati geodetskog snimanja. Izabrana je deonica glavnog kanala od stacionaže 8+800 km do 0+000 km sa podacima o poprečnim profilima na svakih 100 m. Kako je učitana trasa deonice glavnog kanala dužine 8830 m, prvi poprečni profil se mora uneti na stacionaži 8+830 km. Na stacionaži 8+830 km nije izvršeno geodetsko snimanje kanala i zbog toga se na toj stacionaži mora uneti "prazan" profil, tj. jedini podatak koji se unosi je rastojanje od 30 m do sledećeg nizvodnog poprečnog profila (8+800 km). Poprečni profili se unose u prozoru "Cross Section Data", do kojeg se dolazi klikom na ikonu "Cross Section" u prozoru "Geometric Data". Novi poprečni profil se dodaje komandom "Options - Add new Corss Section". Po pravilu, poprečni profili se unose od najuzvodnijeg do najnizvodnijeg, na primeru deonice glavnog kanala Plavna od stacionaže 8+830 km do 0+000 km. Prvo se zadaje naziv stacionaže - obično je to kilometraža, zatim se unose elementi poprečnog profila, slike 4 i 5.

Slika 4. Unos "praznog" poprečnog profila na stacionaži 8+830 km

Slika 5. Unos poprečnog profila na stacionaži 8+800 km

10

Poprečni profili su definisani svojom lokacijom - stacionažom u odnosu na vodotok i kotama karakterističnih tačaka profila. Koordinate karakterističnih tačaka čine rastojanja od leve obale i nadmorske visine tačaka. Potrebno je uneti rastojanja između leve obale, kanala i desne obale posmatranog poprečnog profila i sledećeg poprečnog profila. Ta rastojanja mogu biti jednaka (npr. rastojanje između stacionaže 8+830 i 8+800 iznosi LOB = Channel = ROB = 30 m; rastojanje između stacionaže 8+800 i 8+700 iznosi LOB = Channel = ROB = 100 m). Vrednost koeficijenta hrapavosti po Maningu se u ovom koraku ne mora uneti, ili se za unos koriste pretpostavljane vrednosti ili u ovom slučaju rezultati istraživanja stanja i hidrauličkih karakteristika glavnog kanala Plavna (Belić i sar., 2006, 2007), tabela 1. Za položaj leve i desne obale kanala mogu se uneti vrednosti rastojanja krajnje leve i krajnje desne tačke poprečnog preseka (npr. za staiconažu 8+880 Left Bank = 0 Right Bank = 51), ali ti podaci se u ovom trenutku ne moraju uneti. Preporučena vrednost koeficijenta kontrakcije iznosi 0,1 a koeficijenta ekspanzije 0,3. Prikaz unete deonice kanala u "Geometric Data" prozoru je dat na slici 6. Nakon unosa snimljenih poprečnih profila treba snimiti fajl sa geometrijskim podacima komandom "File - Save Geometry Data" u prozoru "Geometric Data".

Tabela 1. Rezultati istraživanja hidrauličkih karakteristika deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna (Belić i sar., 2006, 2007)

Stacionaža Protok Kote vode Sr.brzina Koef. hrap. po Maningu

Km m3/s mnm m/s 0+000 2,31 77,09 - 0,13 1+950 2,31 77,23 0,085 0,13 4+100 1,47 77,37 0,061 0,18 9+150 1,26 77,73 0,051 0,19

Slika 6. Prikaz snimljenog stanja deonice kanala nakon unosa poprečnih profila

11

3.2 Korekcija položaja snimljenih poprečnih profila Geodetskim snimanjem dobijaju se poprečni profili korita kanala ali snimanje u određenoj meri obuhvata i priobalni pojas. Teren sa leve i desne obale kanala se snima u dužini koja zavisi od terenski uslova što dovodi do toga da samo korito kanala nije centrirano, odnosno ne nalazi se u sredini snimljenog profila. Prilikom unosa snimljenih poprečnih profila u program HEC-RAS oni se automatski centriraju u odnosu na trasu kanala, a kako korito kanala nije u sredini snimljenog profila onda se njegov položaj mora korigovati. To se vrši upoređivanjem položaja snimljenog korita kanala sa projektovanim jer je ono pravilnog geometrijskog oblika i pravilno centrirano u odnosu na trasu. Da bi se izvršila korekcija položaja snimljenog kanala prema projektovanom, mora se u program HEC-RAS učitati i projektovani kanal. U prozoru "Geometric Data" odabrati opciju "File - New Geometry Data" i uneti naziv nove geometrije kanala npr. "projektovano". Sada je potrebno učitati projektovani kanal komandom "File - Import Geometry Data - HEC-RAS Format" i navesti lokaciju gde se nalazi odgovarajući HEC-RAS fajl sa geometrijom projektovanog kanala (prva faza studije). Interpolacija projektovanih poprečnih profila Projektovani kanal se sastoji od trase deonice kanala dužine 8830 m, i sedam poprečnih profila na stacionažama 8+830 km, 7+214 km, 5+475 km, 3+541 km, 2+250 km, 1+250 km i 0+000 km. Kako je geodetskim snimanjem obuhvaćena deonica kanala od stacionaže 8+800 km do 0+000 km sa rastojanjem poprečnih profila od 100 m, mora se izvršiti interpolacija projektovanih profila da odgovaraju snimljenim stacionažama. Interpolacija poprečnog profila između dva poznata profila se vrši u prozoru "Geometric Data" komandom "Tools - XS Interpolation - Between 2 XS's", slika 7.

Slika 7. Interpolacija poprečnih profila

Interpolacijom je potrebno dobiti profil na stacionaži 8+800 km između stacionaža 8+830 km i 7214 km, slika 8. Odabrati opciju "Set Location (m)" i upisati vrednost 30 m jer rastojanje između stacionaža 8+830 km i 8+800 km iznosi 30 m. Odabrati preciznost interpolacije (centimetarska preciznost - 0.00) i selektovati opciju "Generate for display as perpendicular segments to reach invert" koja će omogućiti generisanje interpoliranih poprečnih preseka upravnih na trasu kanala.

12

Slika 8. Popunjavanje opcija u prozoru za interpolaciju poprečnih profila

Na isti način izvršiti interpolaciju profila na stacionaži 7+200 (između 7+214 i 5+475), profila na stacionaži 5+400 (između 5+475 i 3+541), profila na stacionaži 3+500 (između 3+541 i 2+250), profila na stacionaži 2+200 (između 2+250 i 1+250) i profila na stacionaži 1+200 (između 1+250 i 0+000). Naziv interpoliranih poprečnih profila se završava ekstenzijom ".*" i oni se ne mogu ponovo koristiti za interpolaciju. Zbog toga ih je potrebno preimenovati, tj. obrisati im ekstenziju ".*". Preimenovanje interpoliranih poprečnih profila se vrši u prozoru "Cross Section Data" komandom "Options - Rename river station", slika 9.

Slika 9. Preimenovanje interpoliranih poprečnih preseka

Sada se može nastaviti sa interpolacijom. Potrebno je interpolacijom dobiti poprečni profil na stacionaži 7+300 (između 8+800 i 7+214, slika 10), profil na stacionaži 5+500 (između 7+200 i 5+475), profil na stacionaži 3+600 (između 5+400 i 3+541), profil na stacionaži 2+300 (između 3+500 i 2+250) i profil na stacionaži 1+300 (između 2+200 i 1+250).

13

Slika 10. Primer dobijanja interpoliranog poprečnog profila na stacionaži 7+300 km

Nove poprečne preseke dobijene interpolacijom (7+300, 5+500, 3+600, 2+300, 1+300) je potrebno preimenovati kao što je to prethodno objašnjeno. Sada se može izvršiti još jedan niz interpolacija. Između stacionaža 8+800 i 7+300 treba interpolacijom dobiti poprečne profila na svakih 100 m, slika 11. Umesto opcije "Set Location (m)" treba izabrati opciju "Constant Distance (m)" i uneti vrednost 100. Isti postupak ponoviti i između stacionaža 7+200 i 5+500, 5+400 i 3+600, 3+500 - 2+300, 2+200 i 1+300 i između 1+200 i 0+000.

Slika 11. Primer interpolacije poprečnih profila između stacionaže 8+800 km i

7+300 km

14

Kompletnim postupkom interpolacije je od sedam početnih poprečnih profila (8+830, 7+214, 5+475, 3+541, 2+250, 1+250 i 0+000) dobijeno još 88 novih (8+800 do 0+000 na svakih 100 m) koji odgovaraju lokacijama snimljenih poprečnih profila,slika 12.

Slika 12. Prikaz projektovanog stanja deonice kanala Plavna posle interpolacije

U prozoru "Geometric Data" načinjene izmene treba sačuvati komandom "File - Save Geometry Data". Poređenje položaja snimljenih poprečnih profila sa projektovanim i njihova korekcija Da bi se snimljeni i projektovani poprečni profili mogli uporediti potrebno je da oba stanja kanala budu učitana u program HEC-RAS. Prvo treba učitati snimljene profile komandom "File - Open Geometry Data" u prozoru "Geometric Data", primer na slici 13. Zatim treba otvoriti prozor u kome se vrši grafičko editovanje poprečnih profila, komandom "Tools - Graphical Cross Section Edit", slika 14. Označiti opcije "Compare Geometry Files" i "Update Compare XS". Ove opcije omogućavaju poređenje dva poprečna profila. U odeljku "Compare XS" klikom na dugme "Geometry Files" označiti projektovano stanje kanala. Podesiti iste oznake stacionaža i na snimljenom i na projektovanom profilu.

Slika 13. Učitavanje snimljenih profila u HEC-RAS

15

Slika 14. Prozor u kome se vrši grafičko editovanje poprečnih profila

Zatim, u prozoru "Geometric Data" treba otvoriti i prozor za unos poprečnih profila "Cross Section". Oba prozora, "Graphic XS Editor" i "Cross Section Data" postaviti jedan pored drugog, slika 15.

Slika 15. "Graphic XS Editor" i "Cross Section Data" prozori

Na primeru na slici 15, u prozoru "Graphic XS Editor" su prikazani snimljeni i projektovani profil na stacionaži 8+800. Može se primetiti da je po horizontalnoj osi snimljeni profil smaknut u odnosu na projektovani. Razlike u položaju po vertikalnoj osi su zbog zamuljenja i drugih erozionih deformacija korita kanala. U prozoru "Cross

16

Section Data" na slici 15 se nalazi snimljeni profil na stacionaži 8+800. U tom prozoru ćemo vršiti pomeranje profila po horizontalnoj osi. Pomeranje snimljenog poprečnog profila po horizontalnoj osi se vrši dodavanjem konstantne vrednosti, izražene u metrima, za koju se profil pomera u levo ili u desno. Pomeranje poprečnog profila se zadaje komandom "Options - Adjust Stations - Add a Constant" u prozoru "Cross Section Data", slika 16.

Slika 16. "Cross Section Data" prozor, pomeranje snimljenog korita dodavanjem

konstantne vrednosti

Sa dijagrama u prozoru "Graphic XS Editor" prvo treba proceniti rastojanje za koje treba pomeriti snimljeni profil tako da se vizualno poklopi za projektovanim profilom. Tu vrednost treba uneti u prozoru "Cross Section Data", npr. za snimljeni profil na stacionaži 8+800 km treba uneti vrednost "-6" jer profil treba pomeriti 6 m u levo. Posle zadavanja vrednosti pomeranja treba kliknuti na opciju "Accept edits and adjust cut line" kojom se prihvataju promene položaja poprečnog profila, slika 17. Da bi proverili da li je zadata vrednost pomeranja odgovarajuća, odnosno da li se profili poklapaju u odgovarajućoj meri treba kliknuti na prozor "Graphic XS Editor" i pomeriti stacionažu za jednu niže (npr. sa 8+800 na 8+700), zatim kliknuti na opciju "No" kao odgovor na pitanje da li se želi ostaviti rezultat promena u grafičkom editoru ("Do you want to keep the graphical edits?", slika 18) i ponovo se vratiti na prethodnu stacionažu. Na slici 19 dat je primer poklapanja profila na stacionaži 8+800 km.

Slika 17. Prihvatanje promene položaja poprečnog profila

17

Slika 18. Prihvatanje rezultata promena u grafičkom editoru, kliknuti na "No"

Slika 19. Primer poklapanja profila na stacionaži 8+800 km

Prilikom promene stacionaže u prozoru "Graphic XS Editor" često će se pojavljivati prozor sa pitanjem da li se želi ostaviti rezultat promena u grafičkom editoru ("Do you want to keep the graphical edits?", slika 18). Odgovor uvek treba da bude "No" jer se na taj način prihvataju promene načinjene u prozoru "Cross Section Data". Ako bi se odgovorilo potvrdno sa "Yes" promene načinjene u prozoru "Cross Section Data" ne bi bile prihvaćene i ne bi došlo do željenog pomeranja snimljenog poprečnog profila. Postupak za korekciju položaja snimljenih profila treba primeniti i na svim ostalim profilima. Neke od vrednosti za koje treba pomeriti snimljene profile su: 8+700 = -4,5 m; 8+600 = 16 m; 8+500 = -16 m; 8+400 = -5,5 m; 8+300 = -19,5 m; 8+200 = -12 m; 8+100 = -8 m; ... Označavanje granica obala Jedan od razloga za unos snimljenih i projektovanih poprečnih profila u program HEC-RAS, a kasnije i u GIS okruženje, je mogućnost preciznog određivanja kubatura iskopa materijala za potrebe izrade projekata izmuljenja i rekonstrukcije kanala. Da bi se to moglo uraditi na adekvatan način pored korekcije položaja snimljenih poprečnih profila mora se izvršiti i preciznije definisanje granica obala snimljenih profila. Položaj tačaka koje definišu granice obala snimljenih profila mora biti simetričan o odnosu na centralnu liniju toka, odnosno na približno istom rastojanju od sredine korita kanala. Tačke granica obala se definišu u prozoru "Graphic XS Editor" tako da prozor "Cross

18

Section Data" treba zatvoriti. Tačke granica obala se zadaju alatom "Set the Bank Stations" a tačke se zapravo nalaze na mestu preseka projektovanog profila sa snimljenim, kao što je to prikazano na primeru stacionaže 8+800 km, slika 20.

Slika 20. Definisanje tačaka obala na stacionaži 8+800 km

Ukoliko se na mestu preseka profila već nalazi tačka na snimljenom profilu (tačka obojena crnom bojom) tada se alatom "Set the Bank Stations" lako dodeljuje oznaka da je ta tačka ujedno i tačka granice obale (tačka je obojena crvenom bojom). Međutim, ukoliko na mestu preseka profila ne postoji tačka snimljenog profila onda se ona mora dodati koristeći alat "Options - Add Sta/Elev Points" klikom na oba mesta preseka profila a zatim te dve tačke označiti kao granice obala alatom "Set the Bank Stations". Stacionaža 7+600 km , slika 21, je primer gde na mestu preseka profila ne postoji tačka na snimljenom profilu. Tačnije, na mestu preseka levih kosina kanala postoji a na mestu preseka desnih kosina ne postoji tačka snimljenog profila. Na tom mestu treba dodati tačku snimljenom profilu, slika 22, i označiti granice obala, slika 23.

19

Slika 21. Stacionaža 7+600 km, nepostojanje tačke snimljenog profila na mestu

preseka

Slika 22. Stacionaža 7+600 km, dodavanjem tačke snimljenom profilu

20

Slika 23. Stacionaža 7+600 km, označavanje tačaka granica obala

Interpolacija snimljenih poprečnih profila Prilikom izrade projekata izmuljenja i rekonstrukcije kanala teži se da se snimljeno stanje kanala dovede u projektovano. Za to je potrebno da se prilikom geodetskog snimanja kanala snime i profili na projektovanim stacionažama, posebno na stacionažama koje definišu pojedine deonice kanala sa različitim geometrijskim karakteristikama. Ukoliko se geodetskim snimanjem ne izvrši snimanje tih profila onda se oni moraju dobiti interpolacijom. Za slučaj deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna potrebno je interpolacijom snimljenih profila dobiti i profile na stacionažama 7+214 km, 5+475 km, 3+541 km, 2+250 km i 1+250 km jer profili na tim stacionažama nisu snimljeni a potrebni su jer definišu pojedine deonice sa različitim geometrijskim i hidrauličkim karakteristikama.

Slika 24. Dobijanje profila na stacionaži 7+214 km interpolacijom

21

Na primer, profil na stacionaži 7+214 km se dobija interpolacijom profila na 7+300 km i 7+200 km, sa lokacijom interpoliranog profila na 86 m udaljenosti od stacionaže 7+300 km, slika 24. Istim postupkom potrebno je dobiti i profile na ostalim stacionažama.

3.3 Georeferenciranje snimljenih poprečnih profila

Iako je položaj snimljenih poprečnih profila vezan za digitalizovanu i georeferenciranu trasu kanala, koordinate tačaka snimljenih profila formalno nisu georeferencirane odnosno nisu im dodeljene X i Y koordinate položaja u odgovarajućem koordinatnom sistemu, u našem slučaju Državni koordinatni sistem, Gaus Krigerova projekcija, 7 zona. Da bi se kasnije snimljeni poprečni profili mogli uneti u GIS mora se izvršiti georeferenciranje. To se vrši u prozoru "Geometric Data" komandom "GIS Tools - GIS Cut Lines - Accept Displayed Locations (as GeoReferenced)" i treba odabrati sve stacionaže "(All RS)", slika 25.

Slika 25. Georeferenciranje snimljenih poprečnih profila

Na samom početku unosa snimljenih poprečnih profila u program HEC-RAS zbog prethodno objašnjenih razloga unet je i "prazan" profil na stacionaži 8+830 km. Nakon georeferenciranja svih snimljenih poprečnih profila ovaj profil se sada može izbrisati. Ako bi se brisanje profila na stacionaži 8+830 km izvršilo pre georeferenciranja tada bi program HEC-RAS na njegovo mesto pomerio stacionažu 8+800 km a takođe izvršio bi i pomeranje svih ostalih profila što bi bilo pogrešno. Razlog tome je što HEC-RAS definiše lokacije svih poprečnih profila u odnosu na najuzvodniji poprečni profil koji se automatski smešta na sam početak trase kanala. U program HEC-RAS se uvek mora uneti najuzvodnija stacionaža koja se nalazi na samom početku trase kanala. Georeferenciranjem svih tačaka poprečnih profila

22

položaj poprečnih profila je definisan svojim stvarnim koordinatama i ne zavisi od položaja drugih poprečnih profila, tako da brisanje pojedinih profila neće izazvati pomeranje drugih. Brisanje profila na stacionaži 8+830 km se vrši u prozoru "Cross Section Data" odabirom stacionaže "River Sta: 8830" i opcijom "Options - Delete Cross Section".

3.4 Modifikacija geometrijskog oblika snimljenih poprečnih profila za potrebe izrade projekta izmuljenja kanala

Da bi sistemi za odvodnjavanje funkcionisali na zadovoljavajući način, odnosno da bi efikasno odvodili višak vode sa branjenog slivnog područja, potrebno je redovno održavati sve elemente sistema. Kao jedna od najvažnijih mera je i tzv. izmuljivanje kanala. Izmuljivanjem se kanal koji izložen dejstvima erozije u periodu eksploatacije dovodi u svoje projektovano stanje a samim tim se povećava njegova propusna moć i efikasnost celog sistema. U programu HEC-RAS je moguće izvršiti modifikacije geometrijskog oblika snimljenih poprečnih profila prema projektovanim profilima čime se zapravo snimljeni kanal dovodi u projektovano stanje. Modifikacija geometrijskog oblika kanala se vrši u prozoru "Geometric Data" komandom "Tools - Channel Modification (original)", slika 26.

Slika 26. Prozor "Channel Modification" u kome se vrši modifikacija geometrijskog

oblika kanala Deonicu glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna, od stacionaže 8+800 km do 0+000 km modifikovaćemo prema projektovanim karakteristikama datim u tabeli 2 (Stejin, 1969). Posmatrana deonica kanala Plavna se zapravo sastoji od 6 pod-deonica sa različitim geometrijskim karakteristikama tako da će se modifikacija celokupne posmatrane deonice obaviti u 6 faza.

23

Tabela 2. Projektovane karakteristike deonice glavnog kanala Plavna, Stejin (1969) Deonica kanala Q Kota vode Kote dna

od do Dužina kanala

Pad vode F v b h 1:m uz. niz.

Pad dna uz. niz.

km km km ‰ m2 m/s m m mnm mnm ‰ mnm mnm 8+800 7+214 1,62 6,02 0,08 19,20 0,314 6,00 1,95 1:02 77,00 76,87 0,198 75,04 74,73 7+214 5+475 1,74 6,02 0,06 21,50 0,280 6,00 2,14 1:02 76,87 76,77 0,115 74,73 74,53 5+475 3+541 1,93 6,64 0,06 32,30 0,285 6,00 2,24 1:02 76,77 76,65 0,072 74,53 74,39 3+541 2+250 1,29 7,04 0,05 25,60 0,275 7,00 2,26 1:02 76,65 76,58 0,147 74,39 74,20 2+250 1+250 1,00 7,75 0,05 27,50 0,282 7,00 2,35 1:02 76,58 76,53 0,020 74,20 74,18 1+250 0+000 1,25 7,75 0,05 27,50 0,282 7,00 2,35 1:02 76,53 76,47 0,048 74,18 74,12

U prozoru "Channel Modification" prvo treba uneti deonicu na koju će se primeniti modifikacija korita kanala. Ona se definiše unosom stacionaža u polja "Upstream Riv Sta" i "Downstream Riv Sta", na primer u našem slučaju za prvu deonicu treba uneti 8800 i 7214. Zatim se popunjava tabela kojom se definiše poprečni presek korita. Modifikovano korito može imati složen presek koji se može sastojati od tri nivoa. Projektovani poprečni presek kanala Plavna je trapeznog oblika i dovoljno je koristiti samo jedan red u tabeli. U koloni "Center Cuts" treba upisati "y" jer se time zadaje da HEC-RAS automatski centrira "usek" kojim se zapravo snimljeni profil kanala nepravilnog oblika pretvara u pravilni trapezni oblik prema projektu. "Bottom Width" označava širinu dna deonice, "Invert Elev" označava kotu dna uzvodne deonice, "Left / Right Slope" označavaju nagib leve i desne kosine a "Cut n/K val" označava vrednost koeficijenta hrapavosti. Treba označiti opciju "Project cut from upper RS at slope" i uneti vrednost pada dna deonice. U donjem levom uglu prozora treba označiti opciju "Cut cross section until cut daylights once" koja označava da se usecanje snimljenog korita vrši do prvog preseka za projektovanim profilom. Posle unosa potrebnih vrednosti, komandom "Apply Cut to Selected Range" će se modifikacija profila primeniti na sve profile zadate deonice. Komandama "Compute Cuts" a zatim i "Cut and Fill Areas" proračunaće se kubature iskopa materijala koje će biti prikazane tabelarno, slika 27. Podaci iz tabele se mogu kopirati u "Clipboard" i prebaciti na primer u Excel, tabela 3.

Slika 27. Prikaz kubatura iskopa materijala

24

Tabela 3. Kubatura iskopa materijala na deonici glavnog kanala Plavna od stacionaže 8+800 km do 0+000 km

Deonica (m)

Zapremina iskopa (m3)

Deonica (km)

Zapremina iskopa (m3)

Deonica (km)

Zapremina iskopa (m3)

8800-8700 886 5700-5600 1204 2700-2600 1245 8700-8600 994 5600-5500 1324 2600-2500 1271 8600-8500 1025 5500-5475 344 2500-2400 1268 8500-8400 961 5475-5400 961 2400-2300 1245 8400-8300 934 5400-5300 1033 2300-2250 591 8300-8200 995 5300-5200 951 2250-2200 570 8200-8100 1050 5200-5100 1040 2200-2100 1057 8100-8000 1080 5100-5000 906 2100-2000 1140 8000-7900 1088 5000-4900 918 2000-1900 1347 7900-7800 1092 4900-4800 1061 1900-1800 1183 7800-7700 1167 4800-4700 1130 1800-1700 1090 7700-7600 1166 4700-4600 1241 1700-1600 1256 7600-7500 1129 4600-4500 1267 1600-1500 1393 7500-7400 1172 4500-4400 1274 1500-1400 1524 7400-7300 1211 4400-4300 1334 1400-1300 1547 7300-7214 1016 4300-4200 1365 1300-1250 783 7214-7200 155 4200-4100 1319 1250-1200 801 7200-7100 1140 4100-4000 1212 1200-1100 1401 7100-7000 1255 4000-3900 1077 1100-1000 1270 7000-6900 1237 3900-3800 1250 1000-900 1330 6900-6800 1200 3800-3700 1429 900-800 1357 6800-6700 1197 3700-3600 1418 800-700 1475 6700-6600 1123 3600-3541 895 700-600 1504 6600-6500 1075 3541-3500 633 600-500 1455 6500-6400 1096 3500-3400 1421 500-400 1390 6400-6300 1181 3400-3300 1374 400-300 1344 6300-6200 1279 3300-3200 1377 300-200 1447 6200-6100 1335 3200-3100 1391 200-100 1290 6100-6000 1278 3100-3000 1410 100-0 591 6000-5900 1241 3000-2900 1367 5900-5800 1180 2900-2800 1294 5800-5700 1133 2800-2700 1206 Ukupno 107662

25

Ceo ovaj postupak modifikacije korita kanala treba primeniti i na sve ostale deonice i tek na kraju komandom "Create Modified Geometry" snimiti modifikovani kanal. Nakon snimanja modifikovanog kanala, klikom na dugme "OK" se izlazi iz prozora "Channel Modification" a zatim na pitanje da li se žele sačuvati promene na snimljenom koritu treba odgovoriti odrično sa "No" jer smo u prethodnom koraku modifikacije sačuvali u drugom fajlu. Izgled modifikovanog korita kanala možemo pregledati ako učitamo modifikovani kanala u prozoru "Geometric Data" komandom "File - Open Geometry Data". Na slici 28 se može primetiti da korito kanala ima pravilan trapezni oblik prema projektu a da su gornji delovi kosina i obale kanala ostali nepromenjeni.

Slika 28. Izgled poprečnog profila kanala na stacionaži 8+700 km nakon modifikacije

3.5 Kreiranje hidrauličkih modela i generisanje izlaznih fajlova radi učitavanja podataka u GIS okruženje

Da bi se geometrijski podaci kanala mogli učitati u HEC-GeoRAS, odnosno u ArcGIS, neophodno je prvo kreirati hidraulički model i izvršiti hidraulički proračun u programu HEC-RAS (Benka i sar., 2011). HEC-GeoRAS ne može da učita geometriju kanala kreiranu u programu HEC-RAS bez izvršenog hidrauličkog proračuna. U GIS okruženje treba uneti i snimljeno stanje kanala i modifikovano stanje, tako da se moraju izvršiti hidraulički proračuni za oba stanja korita kanala. Interpolacija poprečnih profila na 1 m rastojanja Ukoliko postoji potreba da se u GIS-u izradi što detaljniji 3D model korita kanala, može se izvršiti dodatna interpolacija poprečnih profila na malom rastojanju od npr. 1 m. Da bi se takva interpolacija mogla izvršiti neophodno je prvo preimenovati poprečne profila koji su dobijeni prethodnim interpolacijama. Ovaj postupak je već prethodno objašnjen a suština je da se obriše ekstenzija ".*" koja je dodata interpoliranim profilima. U prethodnim koracima interpolacija se vršila između dva profila "Between 2 XS's" a sada se može koristiti opcija interpolacije cele deonice "Within a Reach", slika 29. Treba uneti najuzvodniju i najnizvodniju stacionažu a za maksimalno rastojanje između interpoliranih profila uneti vrednost od 1 m.

26

Slika 29. Interpolacija poprečnih profila na rastojanju od 1 m

Nakon toga potrebno je izvršiti i georeferenciranje interpoliranih profila i snimljenog i modifikovanog kanala , što je takođe objašnjeno u prethodnim koracima, slika 30.

Slika 30. Georeferenciranje poprečnih profila

Kreiranje hidrauličkog modela snimljenog stanja kanala Hidraulički model i izvršavanje hidrauličkog proračuna treba uraditi i za snimljeno i za modifikovano korito kanala. Dovoljno je uraditi hidrauličke proračune za stacionarni režim tečenja. Za slučaj snimljenog stanja korita kanala, kao ulazne vrednosti hidrauličkog modela treba uneti vrednosti protoka dobijene hidrometrijskim merenjima na pojedinim stacionažama a kao granični uslov treba uneti najnizvodniju kotu vode, podaci dati u tabeli 1.

27

Ulazne vrednosti i granični hidraulički uslovi se unose u prozoru "Steady Flow Data" do koga se dolazi komandom "Edit - Steady Flow Data" u glavnom prozoru programa HEC-RAS . Dugmetom "Add a Flow Change Location" treba dodati sve stacionaže na kojima je izmeren protok a zatim i uneti vrednosti protoka. U odeljku "Reach Boundary Conditions" treba uneti poznatu najnizvodniju kotu vode dugmetom "Know W.S.". Unos ulaznih vrednosti i graničnih uslova za slučaj snimljenog stanja kanala je prikazan na slikama 31 i 32.

Slika 31. Unos podataka o protocima, snimljeno stanje kanala

Slika 32. Unos graničnog uslova za snimljeno stanje kanala - kota vode na

stacionaži 0+000 km

Nakon unosa neophodnih ulaznih vrednosti i graničnih uslova može se izvršiti hidraulički proračun za stacionarni režim tečenja komandom "Run - Steady Flow Analysis - Compute". Rezultati proračuna se mogu prikazati tabelarno ili grafički. Primer grafičkog prikaza podužnog i poprečnog preseka prikazani su na slikama 33 i 34.

28

Slika 33. Grafički prikaz rezultata hidrauličkog proračuna, podužni presek snimljenog

korita kanala

Slika 34. Grafički prikaz rezultata hidrauličkog proračuna, poprečni presek

snimljenog korita kanala

Generisanje izlaznog fajla snimljenog stanja kanala Nakon izvršenja hidrauličkog proračuna može se izvršiti kreiranje izlaznog fajla. Eksportovanje HEC-RAS modela se vrši komandom "File - Export GIS Data". Otvoriće se prozor, prikazan na slici 35, u kojem treba uneti naziv izlaznog fajla (npr. plavna2012snim.RASexport.sdf) i selektovati opcije Results Export Options: Water Surfaces; Geometry Data Export Options: River (Stream) Centerlines, User Defined Cross Sections, Interpolated Cross Sections (Entire Cross Section).

29

Slika 35. Generisanje izlaznog fajla iz programa HEC-RAS

Kreiranje hidrauličkog modela modifikovanog kanala Za slučaj modifikovanog korita kanala, kao ulazne vrednosti hidrauličkog modela treba uneti vrednosti protoka na pojedinim stacionažama prema projektnoj dokumentaciji a kao granični uslov treba uneti najnizvodniju kotu vode, podaci dati u tabeli 2. Unos ulaznih vrednosti i graničnih uslova za slučaj snimljenog stanja kanala je prikazan na slikama 36 i 37.

Slika 36. Unos podataka o protocima, modifikovani kanal

30

Slika 37. Unos graničnog uslova za modifikovani kanal - kota vode na stacionaži

0+000 km Nakon unosa neophodnih ulaznih vrednosti i graničnih uslova može se izvršiti hidraulički proračun za stacionarni režim tečenja komandom "Run - Steady Flow Analysis - Compute". Primer grafičkog prikaza podužnog i poprečnog preseka prikazani su na slikama 38 i 39.

Slika 38. Grafički prikaz rezultata hidrauličkog proračuna, podužni presek

modifikovanog korita kanala

31

Slika 39. Grafički prikaz rezultata hidrauličkog proračuna, poprečni presek

snimljenog korita kanala Generisanje izlaznog fajla modifikovanog kanala Nakon izvršenja hidrauličkog proračuna može se izvršiti kreiranje izlaznog fajla. Eksportovanje HEC-RAS modela se vrši komandom "File - Export GIS Data". U prozoru "GIS Export" treba uneti naziv izlaznog fajla (npr. plavna2012mod.RASexport.sdf) i selektovati opcije Results Export Options: Water Surfaces; Geometry Data Export Options: River (Stream) Centerlines, User Defined Cross Sections, Interpolated Cross Sections (Entire Cross Section).

3.6 Kreiranje 3D modela kanala Za izradu 3D modela korita kanala koristiće se program ArcGIS i njegova ekstenzija HEC-GeoRAS. Postupak izrade 3D modela projektovanog stanja kanala i sam rad sa programom ArcGIS i njegovim dodatkom HEC-GeoRAS je detaljno opisan u prvoj fazi izrade ove studije. Na sličan način kreiraće se i 3D modeli snimljenog stanja korita kanala i modifikovanog kanala. Modeli će biti kreirani na osnovu izlaznih fajlova programa HEC-RAS koji sadrže geometrijske karakteristike kanala. Prvo će biti prikazan postupak izrade 3D modela korita za snimljeno stanje kanala a zatim će isti postupak biti primenjen i za modifikovani kanal. Snimljeno stanje korita kanala Rad na izradi 3D modela korita kanala se započinje startovanjem programa ArcMap. Na početku treba proveriti da li su instalirani i aktivirani dodaci HEC-GeoRAS, 3D Analist i Spatial Analist. Zatim, potrebno je snimiti novi projekat i definisati koordinatni sistem. Za koordinatni sistem treba izabrati "MGI_Balkans_7" koordinatni sistem : desni klik na aktivan Layer - "Properties - Coordinate System". Koordinatni sistem "MGI_Balkans_7" treba da se nalazi u folderu "Projected Coordinate Systems - National Grids".

32

U narednom koraku treba konvertovati izlazni fajl HEC-RAS modela iz izvornog SDF formata u XML format koji podržava HEC-GeoRAS. Konvertovanje se vrši klikom na ikonu "Import RAS SDF File" i učitavanjem izlaznog fajla snimljenog kanala, slika 40.

Slika 40. Konvertovanje HEC-RAS izlaznog fajla iz SDF u XML format - snimljeno

korito kanala

Posle konvertovanja SDF fajla u XML treba u HEC-GeoRAS-u podesiti ulazne parametre prema slici 41.

Slika 41. Podešavanje ulaznih parametara u HEC-GeoRAS-u

U prozoru "RAS Mapping - Layer Setup" treba izabrati opciju za novu analizu (New Analysis), zatim treba izabrati izlazni fajl HEC-RAS modela konvertovan u XML format, izabrati TIN terena kreiran u prvoj fazi izrade studije i odabrati radni direktorijum. Učitavanje se vrši zadavanjem komande "RAS Mapping - Import RAS Data". Posle uspešnog učitavanja podataka u projektu će se pojaviti nova grupa slojeva, slika 42:

33

• BankPionts (tačke obala/nasipa),

• XS Cut Lines 3D (poprečni preseci sa podacima o visinama),

• River2D (trasa vodotoka),

• XS Cut Lines (poprečni preseci bez podataka o visinama),

• Bounding Polygon (poligon površine vodotoka),

• TIN (3D model terena).

Slika 42. Primer učitanog HEC-RAS modela u ArcGIS okruženje

3D model korita kanala će se kreirati na osnovu sloja "XS Cut Lines 3D" koji sadrži sve neophodne prostorne koordinate poprečnih preseka kanala. 3D model će se kreirati u TIN formatu zadavanjem komande "3D Analyst - Create/Modify TIN - Create TIN From Features", slika 43. Treba selektovati sloj "XS Cut Lines 3D" i za njega podesiti atribut koji sadrži informacije o visinama (Height source: <Feature Z Values>) i način triangulacije (Triangulate as: hard line). Takođe, treba selektovati i sloj "Bounding Polygon" i izvršiti podešavanja (Height source: <None>; Triangulate as: soft clip). Ovaj poligon služi da bi oivičio kanal i zapravo predstavlja granicu TIN-a, tj. 3D modela kanala. TIN kanala, odnosno 3D model korita snimljenog kanala je prikazan na slici 44.

34

Slika 43. Kreiranje TIN-a snimljenog kanala, alat 3D Analyst

Slika 44. Prikaz TIN-a snimljenog kanala

Modifikovano korito kanala Isti postupak izrade 3D modela kanala će se primeniti i za modifikovani kanal, slike 45-49.

Slika 45. Konvertovanje HEC-RAS izlaznog fajla iz SDF u XML format -

modifikovano korito kanala

35

Slika 46. Podešavanje ulaznih parametara u HEC-GeoRAS-u

Slika 47. Primer učitanog HEC-RAS modela u ArcGIS okruženje

36

Slika 48. Kreiranje TIN-a modifikovanog kanala, alat 3D Analyst

Slika 49. Prikaz TIN-a modifikovanog kanala

37

4. ZAKLJUČAK

Nakon izgradnje sistema za odvodnjavanje određene mere se moraju preduzeti da bi sistem funkcionisao na zadovoljavajući način u višegodišnjem periodu. Potrebno je da postoji odgovarajući plan eksploatacije i održavanja sistema. Organizacija koja upravlja sistemom za odvodnjavanje treba da poseduje dokumentaciju sa tačnim i preciznim podacima o svim komponentama sistema. Kako savremene prostorne i hidrauličke analize sistema za odvodnjavanje zahtevaju digitalne ulazne podatke i podloge, geografski informacioni sistem se nameće kao dobro rešenje za prikupljanje, obradu, čuvanje i rukovanje podacima o različitim objektima na određenom prostoru. U okviru ove faze studije predstavljena je metodologija za unos geometrijskih karakteristika kanala u geografski informacioni sistem, formiranje 3D modela snimljenog stanja korita kanala i metodologija za modifikaciju geometrije snimljenog - stvarnog stanja za potrebe izrade projekata izmuljenja i rekonstrukcije kanala. Metodologija se bazira na korišćenju rezultata geodetskog snimanja korita kanala, hidrometrijskih merenja na pojedinim stacionažama kanala, projektne dokumentacije i na korišćenju neophodnih softverskih alata (ArcGIS, HEC-GeoRAS i HEC-RAS. Metodologija je primenjena na deonici glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna. U programu HEC-RAS je izvršen unos snimljenih poprečnih profila na osnovu rezultata geodetskog snimanja kanala. Zatim je korigovan položaj snimljenih profila prema projektovanim profilima da bi centralna linija toka snimljenog kanala odgovarala digitalizovanoj trasi kanala. Modifikacija geometrijskog oblika korita snimljenog kanala je urađena prema projektnoj dokumentaciji. Dobijeni su novi poprečni profili potrebni za projekte izmuljena i izračunate su kubature iskopa materijala po deonicama. Da bi se dobila detaljnija predstava korita kanala izvršeno je dodavanje novih poprečnih profila interpolacijom profila na 1 m rastojanja. Izvršeni su hidraulički proračuni za stacionarni režim tečenja. Za potrebe hidrauličkog proračuna u slučaju snimljenog stanja kanala korišćene su hidrauličke karakteristike deonica dobijene hidrometrijskim merenjima, a u slučaju modifikovanog kanala korišćene su projektovane hidrauličke karakteristike deonica. Na kraju, hidraulički modeli su učitani u ArcGIS/HEC-GeoRAS okruženje i na taj način su izvršeni unosi geometrijskih karakteristika kanala u geografski informacioni sistem što je omogućilo kreiranje 3D modela korita posmatrane deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna. Projektovane i snimljene - stvarne geometrijske i hidrauličke karakteristike kanala smeštene u geografski informacioni sistem treba da posluže kao podloga za analize efikasnosti sistema za odvodnjavanje, analize propusne moći i uslova tečenja u kanalima kao i za projekte rekonstrukcije sistema za odvodnjavanje.

38

5. LITERATURA

Benka, P. i sar. (2009): Razvoj metodologije upravljanja kvalitetom vode DKM u Vojvodini, Studija, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Benka, P. i sar. (2010): Razvoj metodologije upravljanja kvalitetom vode DKM u Vojvodini, Studija, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Benka, P. i sar. (2011): Izrada 3D modela korita kanala DKM HS DTD za potrebe hidrauličkih modeliranja, Studija, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Belić, S. i sar. (2006, 2007): Sistem za odvodnjavanje Plavna - Analiza rada crpne stanice i uslova tečenja u kanalskoj mreži, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Nikolić Agota (2004): Izmuljenje kanala KC-III km 0+825 - 3+253, Elaborat, Društveno vodoprivredno preduzeće "BAČKA" Vrbas, Vrbas. National Research Council, (1983): An Evaluation of Flood-level prediction using Alluvial River Model, National Academy Press, Washington, D.C. Salvai A. i sar. (2006): Matematički model rasprostiranja i transformacije zagađenja duž deonica DKM od upuštanja koncentrisanih zagađivača do uliva u OKM, Studija, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Salvai A. i sar. (2007): Matematički model rasprostiranja i transformacije zagađenja duž deonica DKM od upuštanja koncentrisanih zagađivača do uliva u OKM, Studija, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Salvai A. i sar. (2008): Matematički model rasprostiranja i transformacije zagađenja duž deonica DKM od upuštanja koncentrisanih zagađivača do uliva u OKM, Studija, Investitor: JVP Vode Vojvodine, Realizacija: Poljoprivredni fakultet, Departman za uređenje voda, Novi Sad. Stejin, D., (1969): Odvodnjavanje sliva Plavna, Glavni projekat, Knjiga I, Hidrobiro, Novi Sad. US Army Corps of Engineers - Hydrologic Engineering Center, (1990): HEC-2 Water Surface Profiles User's Manual US Army Corps of Engineers - Hydrologic Engineering Center, (2010a): HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual US Army Corps of Engineers - Hydrologic Engineering Center, (2010b): HEC-RAS River Analysis System User ׳s Manual v. 4.1 US Army Corps of Engineers - Hydrologic Engineering Center, (2011): HECGeoRAS, GIS Tools for Support of HEC-RAS using ArcGIS, User ׳s Manual v. 4.3.93

39

REZIME

Tokom eksploatacije kanala za odvodnjavanje, usled tečenja vode, erozije i drugih uticaja kanali gube planirane sposobnosti, što može prouzrokovati različite nepravilnosti u funkcionisanju sistema i povećati troškove eksploatacije. Projekti rekonstrukcije i izmuljenja kanala baziraju se na projektovanom stanju kanala, a do optimalnih i najefikasnijih rešenja dolazi se putem hidrauličkog modeliranja. Kao jedan od koraka koji je neophodan za hidraulička modeliranja i analize jeste izrada 3D modela korita kanala detaljne kanalske mreže. Takođe, upravljanje i gazdovanje sistemima za odvodnjavanje zahteva pristup velikom broju informacija o svim objektima. Stoga se kao dobro rešenje za prikupljanje, obradu, čuvanje i rukovanje podacima o različitim objektima na određenom prostoru nameće upotreba geografskog informacionog sistema.

U okviru ove studije predstavljena je metodologija za unos geometrijskih karakteristika kanala u geografski informacioni sistem i formiranje 3D modela snimljenog stanja korita kanala. Metodologija je bazirana na korišćenju rezultata geodetskog snimanja kanala i neophodnih softverskih alata (ArcGIS, HEC-GeoRAS i HEC-RAS). Primena metodologije je prikazana na primeru deonice glavnog kanala sistema za odvodnjavanje Plavna. Projektovane i snimljene geometrijske i hidrauličke karakteristike kanala smeštene u geografski informacioni sistem treba da posluže kao podloga za analize efikasnosti sistema za odvodnjavanje, propusne moći i uslova tečenja u kanalima, kao i za projekte rekonstrukcije sistema za odvodnjavanje.

ABSTRACT

During exploitation of drainage canals, due to water flow, erosion and other impacts canals lose their designed properties, which can cause a variety of irregularities in the functioning of the system and increase operating costs. Canal reconstruction and dredging projects are based on designed state of the canals and optimal and most efficient solutions are reached through hydraulic modeling. One of the basic steps needed for hydraulic modeling and analysis is creating a 3D model of the canal bed of detailed canal network. Also, management and operation of drainage systems requires access to large amounts of information about all objects. Therefore, as a good solution for collecting, processing, storage and handling of data about different objects in a particular area is imposed by the use of geographic information systems.

This study presents a methodology for entering the geometric characteristics of the canals into the geographic information system and creation of a 3D model of the surveyed state of the canal bed. The methodology is based on the results of geodetic survey of canals and necessary software tools (ArcGIS, HEC-GeoRAS i HEC-RAS). Application of this methodology is shown in the example of section of the drainage system Plavna main canal. Designed and surveyed geometric and hydraulic properties of a canal stored in the geographic information system should serve as a basis for analyzing the efficiency of the drainage system, water flow capacity and flow conditions in canals, as well as for projects of reconstruction of the drainage system.