Rainfall models in small catchments in the context of hydrologic and hydraulic assessment of watercourses

• Autorzy: Gruss Łukasz , Wiatkowski Mirosław

Identyfikatory

DOI

10.2428/ecea.2018.25(1)2

Warianty tytułu

PL

Modele opadów w małych zlewniach w aspekcie oceny hydrologiczno-hydraulicznej cieków

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a proposed application of methods for determining heavy rainfall in small ungauged agricultural catchments in lowland areas. Moreover, we discuss the methodology for a comprehensive hydrological and hydraulic analysis of the functioning of a small lowland watercourse. In order to properly (correctly) use the methods for determining heavy rainfall, a comprehensive workflow had to be created for the dimensioning of structures designed to evacuate rainfall water (i.e. drainage, irrigation and sewer systems), that could be used by designers and would account for the small water retention solutions. In the paper we propose methods for determining heavy rainfall that allow the management of rainfall water in small ungauged agricultural catchments in lowland areas. The calculations of the rainfall intensity with assumed duration times are proposed using three precipitation models: the Bogdanowicz and Stachy formula, the Lambor formula and the Woloszyn formula. The models of Lambor and Woloszyn are advantageous because they are local. On the other hand, the Bogdanowicz and Stachy formula is the recommended model for the dimensioning of structures intended to evacuate rainfall water; this formula makes use of the intensity of design storm in rural areas (p = 10 %). As an example of calculations, we present the initial rainfall intensity results and the values of runoff for a rainfall with the exceedance probability p = 10 % and the duration time 15, 30, 60 and 120 minutes, for the micro-catchment of the watercourse R-4 located in the Dobrzen Wielki commune, south-west of Poland. In the calculations each of the three formulae was used, but the highest values were obtained for the Bogdanowicz and Stachy formula. An analysis of the runoff values for each duration time reveals that the longer the duration time of rainfall, the lower the rainfall intensity. The runoff of precipitation water from the catchment was determined using the European standard EN 752:2008. Moreover, in order to properly select and dimension the retention reservoir for precipitation water the authors used the ATV-A117 guidelines and a study about this standard. The proposed methodology for the determination of heavy rainfall in small ungauged agricultural catchments in lowland areas for the purpose of rainfall water management could be of interest in practical water management applications.

PL

W niniejszej pracy przedstawiono propozycje zastosowania metod wyznaczania opadów nawalnych w małych niekontrolowanych zlewniach użytkowanych rolniczo, na terenach nizinnych. Ponadto w pracy przedstawiono metodykę wykonania kompleksowej analizy hydrologiczno-hydraulicznej funkcjonowania małego cieku nizinnego. Dla właściwego (poprawnego) stosowania metod wyznaczania opadów nawalnych konieczne było stworzenie kompleksowego schematu postępowania dla wymiarowania urządzeń odprowadzaj ących wody opadowe, tj. systemów melioracyjnych i kanalizacyjnych, który może być stosowany przez projektantów uwzględniając zastosowanie rozwiązania małej retencji wodnej. W pracy zaproponowano metody wyznaczania opadów nawalnych umożliwiających zagospodarowanie wód opadowych w małych niekontrolowanych zlewniach nizinnych na terenach rolniczych. Zaproponowano obliczenia natężenia deszczy przy założonych czasach ich trwania przy zastosowaniu 3 modeli opadów: wg Bogdanowicza i Stachego, Lambora oraz Wołoszyna. Zaletą stosowania modeli Lambora i Wołoszyna jest fakt, że są modelami lokalnymi. Natomiast zalecanym modelem w wymiarowaniu urządzeń odprowadzających wody opadowe, który wykorzystuje natężenie deszczu miarodajnego na terenach wiejskich (p = 10 %) jest model Bogdanowicza i Stachego. Jako przykład obliczeń przedstawiono wstępne wyniki natężenia deszczu i wartości odpływów dla deszczu o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 10% i czasie trwania 15, 30, 60,120 minut dla mikrozlewni cieku R-4 zlokalizowanej w południowo – zachodniej Polsce w Gminie Dobrzeń Wielki. W obliczeniach zastosowano wszystkie wymienione modele, jednak najwyższe wartości uzyskano modelem Bogdanowicza i Stachego. Analiza wartości odpływów wskazuje, że im czas trwania deszczu jest dłuższy, tym mniejsze jest jego natężenie. Ustalono wartości odpływu wód opadowych ze zlewni przy zastosowaniu normy europejskiej EN 752:2008. Ponadto dla właściwego doboru i wymiarowania zbiornika do retencji wód opadowych autorzy zastosowali wytyczne normy ATV-A117 oraz opracowania poświęcone tej normie Zaproponowana w niniejszej pracy metodologia wyznaczania opadów nawalnych w małych niekontrolowanych zlewniach użytkowanych rolniczo, na terenach nizinnych, na potrzeby zagospodarowania wód opadowych, stanowi interesującą propozycję do wykorzystania w praktyce gospodarki wodnej.

Słowa kluczowe

EN

small lowland watercourse; rainfall intensity; small agricultural catchment; water retention; stochastic model; probabilistic model; precipitation model

PL

mały ciek nizinny; natężenie deszczu; mała zlewnia rolnicza; retencja; model stochastyczny; model probabilistyczny; model opadów

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 25, nr 1
• Strony: 19--27
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., wykr.

Twórcy

autor

Gruss Łukasz

• Institute of Environmental Engineering, Wrocław University of Environmental and Life Sciences, pl. Grunwaldzki 24, 50-363 Wrocław, Poland

autor

Wiatkowski Mirosław

• Institute of Environmental Engineering, Wrocław University of Environmental and Life Sciences, pl. Grunwaldzki 24, 50-363 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Mioduszewski W, Small (natural) water retention in rural areas. J Water Land Dev. 2014;20:19-29. http://www.itep.edu.pl/wydawnictwo/journal/20_2014_I_III/Mioduszewski.pdf.
• [2] Robson AJ, Jones TK, Reed DW, Bayliss AC. A study of national trend and variation in UK floods. Int J Climatol, 1998;18(2):165-182. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0088(199802)18:2<165:AID-JOC230>3.0.CO;2-#.
• [3] Seneviratne S, Nicholls N. Changes in Climate Extremes and their Impacts on the Natural Physical Environment. In Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation, Special Reporton Extremes (SREX) by the Intergovernmental Panelon Climate Change. 2012;https://www.researchgate.net/profile/Sonia_Seneviratne/publication/258624444_Changes_in_climate_extremes_and_their_impacts_on_the_natural_physical_environment_An_overview_of_the_IPCC_SREX_report/links/573a44f408aea45ee83f883e/Changes-in-climate-extremes-and-their- impacts-on-thenatural-physical-environment-An-overview-of-the-IPCC-SREX-report.pdf
• [4] Halback-Cotoara-Zamfir R. Applied Hydrotechnics Multidisciplinary Research and Future Challenges. Procedia Eng. 2016;161:2019-2022. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.08.796.
• [5] Unver O, Bhaduri A, Hoogeven J, Water-use efficiency and productivity improvements towards a sustainable pathway for meeting future water demand. Water Secur. 2017;1:21-27. https://doi.org/10.1016/j.wasec.2017.05.001.
• [6] Mosiej J, Bus A, New challenges in rural water management in Poland – selected problems. Proc 7th Int Sci Conf Rural Development 2015 – Towards the Transfer of Knowledge, Innovations and Social Progress Location: Aleksandras Stulginskis Univ, Akademija, Lithuania. November 19-20. DOI: http://doi.org/10.15544/RD.2015.078.
• [7] Kotowski A, Kaźmierczak B, Dancewicz A, Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji (Precipitation modeling for sewerage measuring). Warszawa: PAN Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej. 68;2010. ISSN 0137-5393, http://www.bartoszkazmierczak.pl/pliki/monografia1.pdf.
• [8] Brauer CC, Teuling AJ, Torfs PJJF, Uijlenhoet R, The Wageningen Lowland Runoff Simulator (WALRUS): a lumped rainfall-runoff model for catchments with shallow groundwater. Geosci Model Dev. 2014;7:2313-2332. www.geosci-model-dev.net/7/2313/2014/.
• [9] Kaźmierczak B, Kotowski A, The influence of precipitation intensity growth on the urban drainage systems designing. Theor Appl Climatol. 2014;118(1-2):285-296. DOI: 10.1007/s00704-013-1067-x.
• [10] Wdowikowski M., Kaźmierczak B, Ledvinka O, Maximum daily rainfall analysis at selected meteorological stations in the upper Lusatian Neisse River basin. Meteorol Hydrol Water Manage. 2016;4(1):53-63. DOI: https://doi.org/10.26491/mhwm/63361.
• [11] Kyselý J, Picek J, Regional growth curves and improved design value estimates of extreme precipitation events in the Czech Republic. Clim Res. 2007;33(3):243-255. DOI:10.3354/cr033243.
• [12] Kaźmierczak B, Kotowski A, The suitability assessment of a generalized exponential distribution for the description of maximum precipitation amounts. J Hydrol. 2015;525:345-351. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2015.03.063.
• [13] Ruiz-Villanueva V, Borga M, Zoccatelli D, Marchi L, Gaume E, Ehret U, Extreme flood response to short-duration convective rainfall in South-West Germany. Hydrol Earth Syst Sci. 2012;16:1543-1559. https://doi.org/10.5194/hess-16-1543-2012.
• [14] Zydroń T, Wałęga A, Influence of rainfalls of varying intensity on slope stability. Geologija. 2011;53/2(74):95-106. http://mokslozurnalai.lmaleidykla.lt/publ/1392-110X/2011/2/Zydron.pdf.
• [15] Ibrahim H.E., Developing rainfall intensity–duration–frequency relationship for two regions in Saudi Arabia. J King Saud Univ – Engineering Sciences. 2012;24(2):131-140. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jksues.2011.06.001.
• [16] Minh Nhat L, Tachikawa Y, Takara K, Establishment of Intensity-Duration-Frequency Curves for Precipitation in the Monsoon Area of Vietnam. Annuals Disas Prev Res Inst Kyoto Univ. 2006;49B:93-103. http://www.dpri.kyoto-u.ac.jp/nenpo/no49/49b0/a49b0p09.pdf.
• [17] Lanza LG., Vuerich E, Gnecco I, Analysis of highly accurate rain intensity measurements from a field test site. Adv Geosci. 2010;25:37-44. DOI: https://doi.org/10.5194/adgeo-25-37-2010.
• [18] Kim D, Jung I W, Chun J A, A comparative assessment of rainfall–runoff modelling against regional flow duration curves for ungauged catchments. Hydrol Earth Syst Sci. 2017;21:5647-5661. https://doi.org/10.5194/hess-21-5647-2017
• [19] European standard EN 752:2008. 2008: Drain and serwer systems outside buildings. http://sklep.pkn.pl/pn-en-752-2008e.html.
• [20] ATV-Regelwerk, Arbeitsblatt A 117. 1977: Richtlinien für die Bemesung, die Gestaltung und den Betrieb von Regenrückhalterbecken. St. Augustin (ATV Rules, Worksheet A 117. 1977: Guidelines for the design, layout and operation of rainwater retention basins. St. Augustin). http://www.dwa.de/dwa/sitemapping.nsf/literaturvorschau?openform&bestandsnr=940.
• [21] Geiger W, Dreiseitl H, Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych (New methods of rainwater drainage). Bydgoszcz: Projprzem-EKO; 1999. ISBN: 83-906015-4-4.
• [22] Ojha C S P, Berndtsson R, Bhunya P K, Engineering hydrology. New Delhi: Oxford University Press; 2008. ISBN:978-0-19-569461-1.
• [23] Shaw E M., Hydrology in Practice. London UK: CRC Press; 1994. ISBN: 0 7487 4448 7.
• [24] Filomeno A, Basic levelling. 2000. http://www.angelofilomeno.com/upload/ Levelling%20handbook.pdf
• [25] Vatankhah A, R, Ghafari S, Mahdavi Mazdeh A, New and improved hydraulic radius for channels of the second kind. Ain Shams Eng J. 2015;6:767–773. https://doi.org/10.1016/j.asej.2015.02.003.
• [26] Lim HS. Open Channel Flow Friction Factor: Logarithmic Law. J Coastal Res. 2018; 34(1): 229-237. https://doi.org/10.2112/JCOASTRES-D-17-00030.1
• [27] Wiatkowski M, Gruss Ł, Hydrological and hydraulic analysis of a small lowland watercourse flow capacity and its functioning in the region of Silesian Lowlands in the context of rainfall water management. Ann Warsaw Univ Life Sci. – SGGW Land Reclam. 2017;49(3):153-166. DOI: 10.1515/sggw-2017-0013.
• [28] Wałęga A, Kaczor G., Stęplewski B, The Role of Local Precipitation Models in Designing Rainwater Drainage Systems in Urban Areas: a Case Study in Krakow. Pol J Environ Stud. 2016; 25(5):2139-2149. DOI: 10.15244/pjoes/62961.
• [29] Wiatkowski M, Rosik-Dulewska Cz, Tymiński T. Analysis of water management of the Michalice reservoir in relation to its functions. Ecol Chem Eng A. 2010;17(11):1505-1516. https://drive.google.com/drive/folders/1YHlqY5dtYlAPPiON6dF_AkYFpUIU_x1c.
• [30] Mioduszewski W, Querner EP, Kowalewski Z. The analysis of the impact of small retention on water resources in the catchment. J Water Land Dev. 2014;23: 41-51. DOI:10.1515/jwld-2014-0028.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).