ebook Modelowanie fal powodziowych na terenach zabudowanych Michał Szydłowski

W pracy przedstawiono podsumowanie wyników badań prowadzonych przez autora w Politechnice Gdańskiej w latach 2004–2006, dotyczących matematycznego modelowania powierzchniowego przepływu wody na terenach zabudowanych, powstałego wskutek przerwania obwałowania przeciwpowodziowego, czy uszkodzenia budowli piętrzącej. Stanowi ona uzupełnienie i rozszerzenie wcześniejszych badań na temat modelowania propagacji fal powodziowych w naturalnych dolinach rzek, wywoływanych awariami zapór zbiornikowych (Szydłowski, 2003).

Problem matematycznego modelowania powierzchniowego przepływu wody na terenach o intensywnej zabudowie był jednym z podstawowych elementów wykonanego pod kierownictwem autora w latach 2005–2006 projektu badawczego nr 2 P06S 034 29, finansowanego przez ówczesne Ministerstwo Nauki i Informatyzacji pt. „Fizyczne i matematyczne modelowanie gwałtownych zalewów na obszarach o zróżnicowanym zagospodarowaniu terenu dla potrzeb prognozowania skutków powodzi i wyznaczania lokalnych stref zagrożenia powodziowego”.

Powodzie w obszarach miejskich mają różne przyczyny. Mogą być one bądź następstwem zjawisk naturalnych, takich jak wystąpienia rzek z koryt i ulewne deszcze, bądź też skutkiem uszkodzeń budowli hydrotechnicznych, takich jak zapory zbiornikowe lub wały przeciwpowodziowe. Również sam przebieg powodzi w mieście może być różny: powolny – związany z długotrwałym zatopieniem terenów zalanych, lub gwałtowny i krótkotrwały – wynikający z nagłego pojawienia się i przejścia fali wezbraniowej. W pracy przedstawiono wyniki badań nad drugim z wymienionych typów powodzi, której skutki zależą głównie od hydrodynamiki przepływu, a nie od czasu zatopienia zalanych terenów. Skupiono się na analizie wpływu elementów zabudowy miejskiej, takich jak domy i zespoły budynków, na warunki przepływu wody. Szczególną uwagę zwrócono na problem właściwego wyboru i poprawnego rozwiązania matematycznego modelu rozpatrywanego zjawiska fizycznego oraz na ocenę jakości wyników obliczeń.

W hydrologii, najczęściej stosowanym matematycznym modelem przepływu wody w naturalnych ciekach i zbiornikach są jedno- bądź dwuwymiarowe równania de Saint-Venanta. U podstaw wyprowadzenia wspomnianych równań leży założenie o wolnozmienności ruchu wody. W przypadku powodzi na terenach zabudowanych, wywołanych nagłymi przyczynami, takimi jak przerwania wałów powodziowych, można spodziewać się, że przepływ wody będzie miał charakter szybkozmienny. Jednocześnie, w przypadku gdy obszar przepływu jest zabudowany, mogą w nim występować zjawiska lokalne, jak choćby odskoki hydrauliczne, znaczne spiętrzenia i depresje zwierciadła czy strefy cyrkulacji prędkości. Z formalnego punktu widzenia, w takich warunkach ruchu, równania de Saint-Venanta nie są adekwatnym modelem zjawiska przepływu wody ze swobodnym zwierciadłem. Prowadząc badania opisane w niniejszej pracy, szukano odpowiedzi na pytanie, czy w praktyce dwuwymiarowy, płaski model fali dynamicznej nadaje się do numerycznych symulacji powodzi na terenie zurbanizowanym, wywołanych awariami wałów przeciwpowodziowych, oraz jakie są ograniczenia jego stosowalności.