Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Bridge headwater afflux estimation using bootstrap resampling method

Kiraga Marta, Bajkowski Sławomir, Urbański Janusz

Archives of Civil Engineering

|

2023

|

Vol. 69, nr 1

21--37

EN

The bridge structure’s development causes a riverbed cross-sections contraction. This influences the flow regime, being visible during catastrophic floods. Then the flow velocity increases and water piles up upstream the bridge, where headwater afflux could be observed. These changes depend on the watercourse geometry and the bridge cross-section properties, especially on the degree of flow contraction under the bridge. Hydraulic conditions under the bridge depend on flow velocity, dimensions, and shape of abutments, the granulometric composition of bedload, which can be quantitatively characterized by hydraulic resistance coefficients. The research subject of headwater afflux is equated with the recognition of morphodynamic processes occurring along the passage route. The headwater afflux could be estimated by empirical formulas and by the energy method using Bernoulli’s law. Empirical methods are optimized by adopting various statistical criteria. This paper compares the headwater afflux values calculated using two existing empirical formulas, Rehbock and Yarnell, and compares them with the results of laboratory tests. Following the assumption that the free water surface is influenced by flow resistance, an attempt was made to include friction velocity in the empirical formulas. Based on the Authors’ database, the coefficients used were optimized using bootstrap resampling in Monte Carlo simulation. The analyses demonstrated that the formula best describing the phenomenon of headwater afflux upstream the bridge is an empirical formula built based on the historical Yarnell formula, which includes friction velocity value. The optimized equation provides an average relative error of 12.9% in relation to laboratory observations.

PL

Zabudowanie koryta rzeki filarami i przyczółkami mostu powoduje zwężenie jego przekroju. Wpływa to zmiany warunków przepływu, które widoczne są przede wszystkim podczas wezbrań katastrofalnych. Następuje wtedy zwiększenie prędkości przepływu oraz spiętrzenie wody przed mostem. Zmiany te zależą od geometrii koryta cieku oraz przekroju mostowego, a szczególnie stopnia zwężenia strumienia pod mostem. Warunki hydrauliczne pod mostem zależą od prędkości przepływu, wymiarów i kształtu podpór, składu granulometrycznego rumowiska, które scharakteryzować można ilościowo za pomocą współczynników oporów hydraulicznych. Tematyka badawcza spiętrzenia pod mostem stawiana jest na równi z rozpoznaniem procesów morfodynamicznych zachodzących na długości przeprawy. Spiętrzenie pod mostami określa się wzorami empirycznymi oraz metodą energetyczną wykorzystującą prawo Bernoulliego. Metody empiryczne optymalizuje się przyjmując różne kryteria statystyczne. W artykule porównano spiętrzenie pod mostem obliczone za pomocą dwóch znanych formuł empirycznych Rehbocka oraz Yarnella i porównano je z wynikami badań laboratoryjnych. Kierując się przesłanką, że na ukształtowanie swobodnego zwierciadła wody w rejonie mostu wpływają także opory przepływu, podjęto próbę włączenia prędkości dynamicznej do formuł empirycznych. Na podstawie własnej bazy danych współczynniki wykorzystanych formuł zoptymalizowano z użyciem metody bootstrap resampling w symulacji Monte Carlo. Przeprowadzone analizy wykazały, że formułą najlepiej opisującą zjawisko spiętrzenia pod mostem jest formuła empiryczna zbudowana na podstawie historycznej formuły Yarnella. Uwzględniając w niej prędkość dynamiczną i optymalizując uzyskano średni błąd względny 12.9%. Taka wartość średniego błędu względnego potwierdza słuszność przyjętego podziału pola prędkości na odpływie. Stwierdzono, że metoda bootstrap resampling w symulacji Monte Carlo stanowi użyteczne narzędzie inżynierskie przy optymalizacji formuł w badaniach hydraulicznych. Szczególnie cennym elementem artykułu jest wykorzystywanie próby danych historycznych.

2

Hydroelectric Power Plants and River Morphodynamic Processes

Kiraga Marta

Journal of Ecological Engineering

|

2021

|

Vol. 22, nr 7

163--178

EN

Hydropower is one of the renewable energy sources. Hydropower plants generate electricity using the kinetic energy of flowing water. Although hydroelectric power plants are not as prominent as solar or wind farms, it should be noted that they generate the most significant amount of the power. They are also the most technically advanced projects. Power plants are built with different technical parameters of turbines, different sizes of dams or weirs and different ways of exploiting the energy of flowing water. A common feature, however, is the significant impact of hydroelectric power plants on the functioning of adjacent regions. The paper divides this impact into economic and local development, landscape, and ecological functions, emphasizing the interaction of these influences. The paper discusses the hydromorphological changes taking place in the immediate vicinity of the structure, as a consequence of channel development. The processes of aggradation and degradation of the channel are the answer to hydrodynamic equilibrium loss. These hydrodynamic processes are associated with the subsequent ecological response of the habitat. The most important of these include the dynamic equilibrium loss by the river and the subsequent morphological parameters striving to restore it according to Lane’s relation, known as the most important principle in the fluvial morphology science. The impact of the hydropower plant on the fluvial environment results, first of all, from a significant environmental impact of the damming of the river itself. If the structure is correctly designed, maintained, and operated, it allows controlling the water conditions upstream and downstream with simultaneous energy production. Due to several geometric, hydraulic, and granulometric changes, and further, the resultant economic, landscape, and natural changes that significantly affect the operation of a region, these should be considered as early as the design stage and should be an integral part of any hydroelectric project.

3

Engineering forecasting of the local scour around the circular bridge pier on the basis of experiments

Bajkowski Sławomir, Kiraga Marta, Urbański Janusz

Archives of Civil Engineering

|

2021

|

Vol. 67, nr 3

469--488

EN

The aim of the study was to indicate the procedure of using laboratory physical model tests of scour around bridge piers for the purposes of determining the potential scour of a riverbed on field bridge crossings. The determination of the uniform modeling scale coefficient according to the criterion of reliable sediment diameter limits the application of the results of tests on physical models to selected types of sediment. The projected depths of scouring of the riverbed at the pier in nature were determined for an object reproduced in the scale of 1:15 determined from the relationship of flow resistance, expressed by hydraulic losses described by the Chézy velocity coefficient, the value of which, in the model and in nature, should be the same. Expressing the value of the Chézy velocity coefficient with the Manning roughness coefficient and introducing the Strickler parameter, it was shown that the coarse sand used in the laboratory bed models the flow resistance corresponding to the resistance generated by gravel in nature. The verification of the calculated size of scouring was based on popular formulas from Russian literature by Begam and Volčenkov [16], Laursen and Toch’s [20] from the English, and use in Poland according to the Regulation ... (Journal of Laws of 2000, No. 63, item 735) [32].

PL

Celem pracy było wskazanie procedury wykorzystania laboratoryjnych fizycznych badań modelowych rozmyć wokół filarów mostowych dla potrzeb określenia potencjalnego rozmycia koryta rzecznego na terenowych przeprawach mostowych. Wykorzystanie wyników badań laboratoryjnych w prognozowaniu rozmyć wokół filarów nowo projektowanych mostów wymaga uwzględnienia wpływu skali modelu. W warunkach analizowanego zadania skalę modelu ustalono z relacji parametrów granulometrycznych rumowiska wykorzystanego w badaniach modelowych i rumowiska rzecznego w cieku, dla którego prowadzono prognozę rozmyć. Określenie współczynnika nieskażonej skali modelowania według kryterium miarodajnej średnicy rumowiska ogranicza zastosowanie wyników badań na modelach fizycznych do wybranych rodzajów rumowiska rzecznego. Prognozowane głębokości rozmycia dna przy filarze w naturze zostały określone dla obiektu modelowanego w skali 1:15 ustalonej z relacji oporów przepływu, wyrażonych stratami hydraulicznymi opisanymi współczynnikiem prędkości Chezy, którego wartość na modelu i w naturze powinna być taka sama. Wyrażając wartość współczynnika prędkości Chezy, współczynnikiem szorstkości Manninga i wprowadzając parametr Stricklera, wykazano, że piasek gruby zastosowany w korycie laboratoryjnym modeluje opory przepływu odpowiadające oporom jakie generuje żwir w naturze. Do weryfikacji obliczonych wielkości rozmyć wykorzystano popularne wśród projektantów formuły z literatury rosyjskiej Begama i Volčenkova [35], angielskiej Laursena i Tocha [36] oraz zalecane do stosowania w Polsce według Rozporządzenia… [5]. W rezultacie otrzymano wzory opisujące wielkości rozmyć dla badanego obiektu ze wskazaniem zakresów ich stosowania.

4

The Diversification of River Habitat Survey Output During the Four Seasons: Case Studies of Three Lowland Rivers in Poland

Kiraga Marta

Journal of Ecological Engineering

|

2020

|

Vol. 21, nr 6

116--126

EN

The EU Water Framework Directive demands maintaining or attaining good quality of the water bodies within the territory of the member states, which is strictly connected with the planning process of the water resources management. The water management plans have to include the assessment of the water body quality condition and further propose the actions to be implemented to enhance the quality of the European water resources. In order to answer the question of whether there is a risk of failure to achieve the WFD objectives, an assessment of the current status should be carried out, followed by an estimate on how likely achieving a good water status in the future is. One of the most popular valorization methods used for the water quality assessment is the River Habitat Survey (RHS) that enables the determination of two indicators, which summarize many single basic parameters, to assess the hydromorphological properties of rivers in a numerical form. Two indices are used most widely: Habitat Modification Score (HMS), which defines the range of transformations in river morphology and Habitat Quality Assessment (HQA), which is based on the presence and diversity of natural elements of the stream and river valley. The application of the above mentioned numerical indices allows calculating the hydromorphological quality status of the studied section following the expectations of the Water Framework Directive. Five ecological classes are distinguished. RHS is described as objective, suitable for statistical analyses, multidirectional and applicative method. However, the final valorization results are strongly affected by the presence of vegetation, which varies during the whole year. This contribution describes the analysis and comparison of the RHS results over the four seasons, namely: spring, summer, autumn and winter of three small lowland rivers in Poland (Zielawa, Zwoleńka and Zagożdżonka). It was unequivocally found that the value of the HQA parameter varied during the seasons, and the changes in its numerical value mainly depended on the condition, development level of vegetation, and the number of species observed. It was demonstrated that depending on the season, the Habitat Quality Assessment variation could change in about 5% of the maximal value, which could lead to a step from one hydromorphological class to another.