Mathematical modeling of flood management system in the city of Gdansk, Orunski stream case study

• Autorzy: Kolerski T. , Kalinowska D.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie matematyczne systemu ochrony przeciwpowodziowej miasta Gdańska, na przykładzie zlewni Potoku Oruńskiego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Aim of the study This study analyses the efficiency of flood protection in a small urban catchment, based on a system of small reservoirs. Material and methods To assess the flood routing and surge reduction, a mathematical model of the river catchment was implemented. This was a lumped hydrological model, based on the SCS-CN method. Channel routing was performed, using kinematic wave equation. The sub-catchments have been determined based on the topographic maps and rain sewage systems. In the paper, the hydrological model of the water system of Potok Oruński (Oruński Stream) is presented with particular focus on the new and renovated retention structures. Hydrological modelling system of HEC HMS was used to simulate the catchment’s response to precipitation. Thanks to the recently established monitoring system of the Oruński Stream, it was possible to calibrate and validate the model. Single rain episode from April 2018 was used to perform model calibration, proving its high compatibility. The calibrated model was then used to reproduce the flood surge of July 2001, using historical catchment data. The peak discharge demonstrated a need for additional retention in the studied catchment. Theoretical scenarios were also modelled. The precipitation volume was calculated based on the IFS. As a worst-case scenario, the rain producing the most intense surface runoff was included. In all simulations, historical conditions as well the current state (2018) and projected further urbanisation of the catchment were taken into consideration. Results and conclusions Results of the study have shown reduction of the historical flood surge from July 2001 by nearly 60% when all existing flood protection systems were used.

PL

Cel pracy Celem pracy jest potwierdzenie efektywności pracy systemu zbiorników retencyjnych na redukcję fali wezbraniowej generowanej na obszarze małej w zlewni zurbanizowanej. Dodatkowo, w artykule zweryfikowano procedurę obliczeniową dla modelu typu opad-odpływ, na podstawie danych uzyskanych z sytemu monitoringu. Materiał i metody W pracy zaimplementowano model matematyczny o parametrach skupionych na zlewni Potoku Oruńskiego. Uwzględniono transformację fali wezbraniowej w korycie potoku według metody fali kinematycznej. Analizę podziału zlewni przeprowadzono na podstawie map topograficznych i zdjęć satelitarnych. Do ustalenia wskaźników CN wykorzystano mapy glebowe, Plany Zagospodarowania Przestrzennego miasta Gdańsk i inne dostępne materiały. Na tej podstawie wyznaczono granice zlewni, podzielone na zlewnie cząstkowe o określonych parametrach takich jak m.in.: powierzchnia, spadek, długość drogi spływu, czas koncentracji, możliwości retencyjne. Model został wykalibrowany na podstawie epizodu opadowego z kwietnia 2018 r. wykorzystując dane z monitoringu. Następnie zaadoptowano wykalibrowany model do sytuacji historycznej powodzi z roku 2001 r. przy zmienionym użytkowaniu zlewni. Przeprowadzono również analizę reakcji zlewni na sytuacje teoretyczne wystąpienia opadów o prawdopodobieństwie przewyższenia 1 i 0,5% Symulacje wykonano dla deszczów o różnym czasie trwania: wybierając jako opad miarodajny wariant najniekorzystniejszy (wywołujący największy hydrogram odpływu). W analizach uwzględniono zarówno stan istniejący zgodny ze stanem użytkowania zlewni na rok 2001 i rok 2016 oraz planowane użytkowanie terenu zgodne z planami zagospodarowania przestrzennego miasta Gdańska. Wyniki i wnioski Implementacja modelu matematycznego do warunków historycznych wykazała przepływ w przekroju zamykającym model matematyczny na poziomie 45 m3/s. Po uwzględnieniu całego systemu ochrony przeciwpowodziowej zlewnia była w stanie retencjonować znacznie więcej wody z historycznego opadu, a dopływ do kanału Raduni zmniejszył się o niemal 60%.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus
• Rocznik: 2019
• Tom: 18
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.63-74,fig.,ref.

Twórcy

autor

Kolerski T.

• Department of Civil and Environmental Engineering, Gdansk University of Technology, Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdansk, Poland

autor

Kalinowska D.

• Department of Civil and Environmental Engineering, Gdansk University of Technology, Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdansk, Poland

Bibliografia

• Bogdanowicz, E., Stachý, J. (1998). Maksymalne opady deszczu w Polsce: charakterystyki projektowe. Warszawa: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
• Dysarz, T. (2018). Application of Python Scripting Techniques for Control and Automation of HEC-RAS Simulations. Water, 10(10), 1382.
• Edel, R. (2002). Odwodnienie dróg. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności.
• Egiazarova, D., Kordzakhia, M., Wałęga, A., Drożdżal, E., Milczarek, M., Radecka, A. (2017). Application of Polish experience in the implementation of the flood directive in georgia – hydrological calculations. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 16(3), 89–110.
• Gajewski, R. (2018). Miasto – woda – zmiany klimatu. Rozwiązanie gdańskie, Książka abstraktów XXXVII Ogólnopolskiej Szkoły Hydrauliki.
• Gąsiorowski, D. and Szymkiewicz, R. (2007). Mass and momentum conservation in the simplified flood routing models. Journal of Hydrology, 346(1-2), 51–58.
• Gąsiorowski, D., Artichowicz, W. (2016). Modelowanie przepływów nieustalonych na terenach zalewowych z wykorzystaniem dwuwymiarowego równania fali dyfuzyjnej. Acta. Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 15(4), 193–207.
• Heathcote, I.W. (2009). Integrated watershed management: principles and practice. Noboken: John Wiley & Sons.
• Kolerski, T. (2014). Modeling of ice phenomena in the mouth of the Vistula River, Acta Geophysica, 62(4), 893–914
• Kolerski, T., Kowalik, M. (2014). Wyznaczanie odpływu ze zlewni niekontrolowanych Kanału Raduni podczas powodzi w 2001 r., Inżynieria Morska i Geotechnika 02, 35(1) 3–10.
• Kolerski, T., Szawurska, D. (2017). Flood management in urban basins of the city of Gdańsk, Proceedings of the 15th International Symposium on Water Management and Hydraulics Engineering, 84-92.
• Majewski, W., Jasińska, E., Kolerski, T., Olszewski T. (2006). Zagrożenia powodziowe Gdańska oraz proponowane zabezpieczenia w świetle powodzi w lipcu 2001 r., Gospodarka Wodna 2006(7) 260-267.
• Maniak, U. (1988). Hydrologie und Wasserwirtschaft, Niederschlag-Abfluß-Modelle für Hochwasserabläufe. Berlin Heidelberg: Springer, 282–380.
• Mays, L. W. (2010). Water Resources Engineering. Hoboken: John Wiley & Sons.
• McCuen, R.H., Johnson, P.A., Ragan, R.M. (2002). Highway Hydrology: Hydraulic design series number 2, National Highway Institute, Federal Highway Administration. FHWA-NHI-02-001, p 424.
• Olechnowicz, B., Weinerowska-Bords, K. (2014). Impact of Urbanization on Stormwater Runoff from a Small Urban Catchment: Gdańsk Małomiejska Basin Case Study. Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, 61(3-4),141–162.
• Pietruszyński, Ł., Cieśliński, R. (2016). Wpływ opadu atmosferycznego na stan jakościowy rzeki miejskiej na przykładzie Potoku Oruńskiego. Inżynieria Ekologiczna, (49), 151–161.
• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie. Dz. U. z 2007 r. Nr 86, Poz. 579
• Sawicki, J.M. Kondziela, A. (2002). Aktualizacja hydraulicznych parametrów sieci deszczowych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, (6), 208–215.
• Szpakowski, W. Szydłowski, M. (2018). Evaluating the Catastrophic Rainfall of 14 July 2016 in the Catchment Basin of the Urbanized Strzyża Stream in Gdańsk, Poland. Polish Journal of Environmental Studies, 27(2).
• Szydłowski, M., Mikos-Studnicka, P., Zima, P., Weinerowska-Bords, K., Hakiel, J., Szawurska, D. (2015). Stormwater and snowmelt runoff storage control and flash flood hazard forecasting in the urbanized coastal basin. In 14th International Symposium Water Management and Hydraulic Engineering.
• Szydłowski, M., Mikos-Studnicka, P. (2015). Wpływ jakości danych hydrologicznych na oszacowanie odpływu ze zlewni miejskiej na przykładzie potoku Strzyża w Gdańsku. Inżynieria Ekologiczna, (44), 139–153.
• Szydłowski M., Zima P. (2013). Zastosowanie modelu opad-odpływ do oszacowania spływu wód opadowych z górnej części zlewni potoku Strzyża w Gdańsku, poprzedzającego awarię zbiornika Nowiec II. B. Więzik (ed.) Problemy obliczania przepływów ekstremalnych w zlewniach kontrolowanych i niekontrolowanych. Tom II. Warszawa: Komitet Gospodarki Wodnej PAN, 83–100.
• Ustawa z dnia 20 lipca 2017 r. – Prawo wodne; Dz.U. 2017 poz. 1566 z późniejszymi zmianami.
• Wałęga, A. (2013). Application of HEC-HMS programme for the reconstruction of a flood event in an uncontrolled basin. Journal of Water and Land Development, 18(9), 13–20.
• Weinerowska, K. (2010). Wpływ uproszczeń na obliczenie spływu deszczowego w zlewni zurbanizowanej. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej.
• Węglarczyk, S. (2010). Statystyka w inżynierii środowiska: podręcznik dla studentów szkół wyższych. Kraków: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej.

Identyfikatory

DOI

10.15576/ASP.FC/2019.18.1.63