Acta hydrotechnica 25/43 (2012), Ljubljana
Open Access Journal
Odprtodostopna revija
ISSN 1581-0267
UDK/UDC: 004.4:502.51:504.5(497.4)
Izvirni znanstveni članek - Original scientific paper
Prejeto/Received: 22. 03. 2013 Sprejeto/Accepted: 16. 04. 2014
SIPOREK: PROGRAM ZA HITRO OCENO ONESNAŽENOSTI VODOTOKA V PRIMERIH RAZLITIJ NEVARNIH SNOVI
SIPOREK: A COMPUTER PROGRAM FOR SIMULATING SPILLS OF HAZARDOUS CHEMICALS IN NATURAL WATERCOURSES
1*	2	v	3	1	v	1	v	1
Nataša Sirnik ' , Gregor Vilhar , Andrej Sirca , Rudi Rajar , Dušan Žagar , Matjaž Cetina
1 Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Univerza v Ljubljani, Hajdrihova 28, 1000 Ljubljana 2 IRGO Consulting, Slovenčeva 93, 1000 Ljubljana 3 IBE, Hajdrihova 4, 1001 Ljubljana
Siporek je računalniški program, namenjen hitri oceni posledic onesnaženja vodotokov v primerih razlitij nevarnih snovi. V osnovi je enodimenzijski, vendar omogoča tudi poenostavljeno določanje koncentracije in časa potovanja onesnažila v ožjih akumulacijah (npr. v zajezbah hidroelektrarn, idr.); uporabimo ga lahko vedno, ko tok ni preveč dvo- ali tridimenzijski. Rezultat modeliranja sta hitrost potovanja onesnažila ter graf spreminjanja koncentracije razlite snovi vzdolž vodotoka; za vsak računski primer je možno izrisati krivulji c-t ali c-x. Pri določanju časa potovanja onesnaženja program upošteva advekcijo in disperzijo, pri določanju koncentracije razlite snovi pa še izhlapevanje onesnažila ter mehansko širjenje madeža. S programom Siporek je možno modelirati vse vrste vodotokov, ki nastopajo v Sloveniji: od deročih hudourniških do mirnejših ravninskih; poenostavljeno je možno upoštevati tudi vpliv jezov in slapov na hitrost potovanja onesnažil.
Siporek je uporabniku prijazen in enostaven za uporabo. Napisan je v programskem jeziku C++, za grafični vmesnik smo uporabili knjižnico Qt 4.7. Računski čas znaša okoli 1 sekundo. Za račun potrebujemo razmeroma malo vhodnih podatkov: podatke o poenostavljeni geometriji struge, naklon dna, Manningov koeficient trenja, pretok, podatke o dinamiki izliva onesnaženja. Uporabljamo prečni prerez pravokotne ali trapezne oblike; os vodotoka opišemo kot vsoto posameznih linearnih odsekov z enotnim prečnim prerezom in konstantnimi parametri. Da bi rezultate v primeru razlitij nevarnih snovi dobili čim hitreje, smo vnaprej pripravili že tudi zbirko potrebnih vhodnih podatkov za celotno rečno mrežo Slovenije (za vse vodotoke, širše od 5 m).
Ključne besede: računalniški program, razlitja nevarnih snovi, vodotoki, hitrost potovanja onesnaženja, koncentracija razlite snovi.
* Stik / Correspondence: natasa.sirnik@fgg.uni-lj .si
© Sirnik N. et al.; Vsebina tega članka se sme uporabljati v skladu s pogoji licence Creative Commons Priznanje avtorstva -Nekomercialno - Deljenje pod enakimi pogoji 4.0.
© Sirnik N. et al.; This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution - Non Commercial - Share Alike 4.0 Licence.
Izvleček
117
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
Abstract
Siporek is a computer program that was developed as a quick modelling tool for calculating the consequences of spills of hazardous chemicals in rivers. Basically, it is a 1-dimensional model, but it also enables us to take into account narrow accumulations (as it is the case in hydroelectric power plant constructions on rivers); it can be used in all cases where the flow is not explicitly 2- or 3-dimensional. The modelling results are in the form of a concentration curve along the channel and the speed of propagation of pollutants; for each calculation a c-t or a c-x graph is drawn. Additionally to advection and dispersion, the model takes into account evaporation and mechanical spreading of pollutants. Siporek can be used for modelling all types of rivers that can be found in Slovenia: from fast mountainous to slower flatland rivers. It is also possible to take into account a simplified representation of dams and waterfalls and their impact on river flow.
Siporek is a simple and user friendly program. It is written in C++, GUI is written in Qt 4.7. Computing time for one modelling case is about 1 second. Input data needed for computation are not many and not hard to acquire: simplified channel geometry data, channel slope, Manning's coefficient, discharge, data about pollutant spill dynamics. In general, a rectangular or a trapezoidal cross-section is used, while the axis of the watercourse is presented as a sum of linear segments with a uniform cross-section and constant parameter values. Moreover, to speed up the process of collecting the appropriate data in real cases, the chart of all Slovenian rivers broader than 5 m, on which all input parameters are shown, was prepared in advance. Keywords: computer program, spills of hazardous chemicals, rivers, propagation speed of pollutant, pollutant concentration.
1. Uvod
Siporek je računalniški program, namenjen hitri oceni posledic onesnaženja vodotokov v primerih razlitij nevarnih snovi. Naročnik zadnje različice programa (2012) je Urad Republike Slovenije za zaščito in reševanje (URSZR).
Ko pride do razlitja nevarnih snovi v vodotoke, je pomembno, da ukrepamo zelo hitro - govorimo o minutah. Čim hitreje je potrebno določiti kraj iztoka nevarnih snovi, obseg onesnaženja in hitrost potovanja onesnažila vzdolž vodotokov. Šele na osnovi teh podatkov se lahko odločamo o ukrepih in možnostih sanacije vodnih virov. Onesnaženje skušamo zajeziti čim bližje viru onesnaženja, pri tem uporabljamo različne tipe vodnih pregrad (baraž), vpojnih rol, trakov in pivnikov. Pri ukrepih in sanaciji sodelujejo Gasilske enote širšega pomena (GEŠP-i), Civilna zaščita in druge ustanove, večinoma pa gre za ljudi, ki običajno nimajo ustreznega znanja s področja mehanike tekočin. Zato je nujno, da program, ki ga za oceno stanja na terenu po izlivih nevarnih snovi v vodotoke potrebuje URSZR, ni samo hiter, temveč tudi enostaven za uporabo. Prav zato je Siporek zasnovan kot preprost računalniški program, ki od uporabnika ne
zahteva veliko teoretičnega znanja in se ga je možno priučiti v kratkem času.
Najnovejša različica programa Siporek temelji na predhodnih delih Katedre za mehaniko tekočin UL-FGG, predvsem na istoimenskem programu iz leta 1994 (Rajar et al., 1994; Širca in Rajar, 1997; Sirca et al., 1994). Novost v primerjavi s starejšo verzijo programa je predvsem ta, da je po novem možno upoštevati tudi vpliv pragov, slapov, kaskad in zajezb na širjenje onesnažila vzdolž vodotoka. Posebno pozornost smo namenili izdelavi uporabniškega vmesnika, ki je sedaj modernejši, enostavnejši in namenjen širšemu krogu uporabnikov. Program smo napisali v jeziku C++, za grafični vmesnik pa smo uporabili knjižnico Qt 4.7.
Računski čas je izredno kratek, za en računski primer znaša le okoli 1 sekundo. Model je v osnovi enodimenzijski, a ga lahko uporabimo tudi za manjše (predvsem ožje) akumulacije (npr. za zajezbe hidroelektrarn, idr.) oz. vedno, ko tok ni preveč dvo- ali tridimenzijski. Omogoča modeliranje krajših ali daljših odsekov vodotokov; prav tako je možno modelirati vse vrste vodotokov, ki v Sloveniji nastopajo: od deročih hudourniških do mirnejših ravninskih.
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
Pri projektu URSZR 'Študija učinkovite uporabe vodnih baraž - OCV' (Četina et al., 2012) smo v sodelovanju z Inštitutom za vodarstvo (P. Banovec, M. Cerk, A. Cilenšek) program Siporek povezali s spletno aplikacijo 'Razlitje' (Razlitje,
2012)	in s tem še dodatno poenostavili način priprave podatkov. Vrednosti tistih parametrov, ki jih je mogoče določiti vnaprej, smo za celotno rečno mrežo Slovenije zbrali v tabelah in na posebnih tematskih kartah. Ker so bile natančne meritve geometrije struge in ustrezno umerjanje koeficienta trenja doslej opravljene le za nekaj slovenskih vodotokov oz. njihovih odsekov, smo si pri določanju vrednosti teh parametrov pomagali s satelitskimi posnetki; večino podatkov smo uspeli z dovolj veliko natančnostjo določiti s pomočjo aplikacije Google Zemlja (Google Earth,
2013).	Na osnovi tako zbranih vrednosti smo uspeli okvirni čas potovanja onesnažila za vse slovenske vodotoke izračunati vnaprej (okvirni zato, ker je dejanski čas potovanja odvisen od trenutne vrednosti pretoka in od časa iztekanja onesnažila, česar pa ne poznamo vnaprej; namesto tega smo pri računu uporabili značilne vrednosti pretokov Qn, Qsr, Qv in enotno vrednost izlitega onesnažila 1000 kg v 10 min).
V svetovnem merilu poznamo mnogo enodimenzijskih hidrodinamičnih modelov in mnogi med njimi Siporek prekašajo v natančnosti (omenimo npr. samo dobro znan HEC-RAS (HEC-RAS, 2013)). A naše vodilo pri razvoju programa ni bila čim večja natančnost, temveč enostavnost in hitrost računanja. Edina smiselna izbira je bila zato poenostavljen enodimenzij ski model, s katerim bo mogoče rezultate določati analitično. Izognili smo se tudi zamudnemu vnosu podatkov o prečnih profilih: pri delu s programom Siporek vodotok razdelimo na krajše odseke s konstantnimi vrednostmi parametrov, ki jih lahko določimo tudi s pomočjo satelitskih posnetkov.
Predvsem pa je pomembna povezava našega programa in spletne aplikacije 'Razlitje' (Razlitje, 2012): v svetu se že leta uveljavlja preventivno obvladovanje tveganj zaradi naravnih nevarnosti (Burovic in Mikoš, 2004), naš projekt pa za enkrat velja za edinstven primer priprave države na ukrepe v primerih razlitij nevarnih snovi.
2. O programu Siporek
S programom Siporek določamo spreminjanje koncentracije onesnažila v času in prostoru ter čas potovanja onesnažila vzdolž vodotokov. Modelirati je možno razlitje konservativnih in nekonservativnih onesnažil. Posebno pozornost smo pri razvoju programa namenili tistim onesnažilom, ki pri nas najpogosteje iztekajo v vodotoke: to so kurilno olje, nafta in bencin.
Na sliki 1 je prikazan uporabniški vmesnik s posameznimi kontrolnimi okni: levo okno je namenjeno sprotnemu izpisu in kontroli vhodnih podatkov, v oknu desno zgoraj se izriše graf za obravnavani primer, v oknu desno spodaj pa se izpisujejo rezultati.
2.1 Teoretične osnove
Siporek pri določanju časa potovanja onesnažil upošteva advekcijo in disperzijo, dodatno pa upošteva še procesa izhlapevanja onesnažila ter mehansko širjenje madeža. Na kratko razložimo še razliko med disperzijo in mehanskim širjenjem onesnažila. Disperzija ali turbulentna difuzija je posledica gibanja tekočine (v našem primeru vode) pod razlitim onesnažilom; v tem primeru turbulenca vode povzroči razpršitev (disperzijo) onesnažila. Mehansko širjenje pa je prisotno tudi, če se kapljevina pod razlitim onesnažilom ne premika (in tudi, če se onesnažilo razlije po trdnem telesu); v tem primeru je razpršitev posledica mehanskih lastnosti onesnažila in je funkcija težnosti, vztrajnosti, viskoznosti in površinske napetosti razlite snovi (Al-Rabeh et al., 2000).
Teoretične osnove programa Siporek povzemamo po Rajar et al. (1994) ter Širca et al. (1994). Predpostavljamo stalni enakomerni tok, za katerega velja Manning-Stricklerjeva enačba (enačba (1)):
0 =
*5/3
O2/3 • n
(1)
kjer je Q pretok [m3/s], S prečni prerez struge [m2], I0 naklon dna [-], O omočeni obod [m], nG Manning-Stricklerjev koeficient trenja [sm-13].
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
V vsakem časovnem koraku rešujemo advekcijsko-difuzijsko enačbo v eni dimenziji (enačba (2)), katere analitično rešitev predstavlja enačba (3):
dc - dc Tjr d c
— + u--= KX j--2"
dt dx	dx
- -	c • V
c = c(x, t) = ■ c° V°
Rešitev enačbe (3) dobimo ob predpostavkah, da je dolžina kanala neskončna, onesnažilo pa se takoj po izlivu premeša po celotnem prerezu S. KX1 določimo po empirični enačbi (4) (Fischer et al., 1979):
2 • SV
p • KX j • t
exp
(x - u • t) 4 • Kx j • t
(2)
(3)
KX1 =
0,011-u •W2 h • u*
(4)
kjer je c povprečna koncentracija onesnažila v prečnem prerezu S [kg/m3], u povprečna hitrost toka v prečnem prerezu S [m/s], t čas[s], x edina prostorska koordinata [m], KX1 linijski mešalni koeficient [m2/s], V0 volumen izlitega onesnažila [m3], c0 koncentracija onesnažila ob izlivu [kg/m3].
kjer je ^povprečna širina korita [m], h globina vode [m], u* strižna hitrost [m/s].
Strižno hitrost določimo po enačbi (5):
4š
u* = nG • u •
64h
(5)
kjer je g težnostni pospešek [m/s2].
Slika 1: Kontrolna okna programa Siporek: levo vhodni podatki, desno spodaj izračunani parametri, desno zgoraj graf.
Figure 1: User interface of the Siporek computer program: input data on the left, computed parameter values bottom right, graph top right.
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
_Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana_
Ker je model Siporek enodimenzionalen, je pri presoji rezultatov nujno upoštevati predpostavko, da je onesnažilo dobro premešano in enakomerno razporejeno po celotnem prerezu S. Zaradi omenjene predpostavke je uporaba 1D advekcijsko-difuzijske enačbe omejena na območje dolvodno od razdalje Lm (enačba (6)):
Lm =
0,1-u-W2
(6)
Lm pove, kako daleč stran od izvora onesnaženja se onesnažilo dejansko uspe premešati po celotnem prerezu struge. V enačbi (6) nastopa še prečni mešalni koeficient et, ki ga določamo po enačbi (7):
= 0,6- h-u„.
(7)
Program upošteva še izhlapevanje (to je pomembno predvsem v primeru razlitja bencina) in mehansko širjenje madeža. Delež izhlapele mase onesnažila F [-] določamo po Mackay et al. (1980) ter Shen et al. (1991) (enačba (8)):
- 4
ln-
P
101,325
+ ln
(C-KE-t 101,325 ^
E +
60
P
(8)
kjer je C empirična konstanta (glej Shen et al., 1991), P0 začetni zračni tlak [kPa] (glej Shen et al., 1991), t čas od izliva [s].
Koeficient KE določamo po Shen et al. (1991) (enačba (9)):
K = 0,0025 -UWZ- A-Vm0lar E	R-T-Vn
(9)
kjer je Uwind hitrost vetra [m/s], Vmolar molski volumen onesnažila [m3/mol] (privzeta vrednost Vmolar = 200'10-6; glej Širca in Rajar, 1997), R plinska konstanta (običajna vrednost je 8,314 [J/(molK)], v enačbi (9) pa uporabljamo vrednost 8210-6 [atmm3/(molK)]; glej Shen et al., 1991), T temperatura madeža na površini vode [K] (privzeta vrednost: T = 288 K).
Površino madeža A v [m2] v odvisnosti od časa t določamo po Fayevi enačbi (Lehr et al., 1984) (enačba (10)):
A =
g V 2 13/2 v-1/2 g-V0 - t -V.
1/2 (Pw -P0 )
,1/3
P0
(10)
kjer je vw kinematična viskoznost vode [m2/s], pw gostota vode [kg/m3], p0 gostota onesnažila [kg/m3].
2.2 Modeliranje
Program Siporek ponuja več različnih možnosti modeliranja:
•	Določitev krivulje c-t (slika 2),
•	Določitev krivulje c-x (slika 3).
V primeru krivulje c-t spremljamo, kako se na
dani razdalji L0
spreminja vrednost
koncentracije razlitega onesnažila v odvisnosti od časa t. Rezultat je graf, podoben temu na sliki 2. V primeru krivulje pa c-x spremljamo, kako se v danem času topaz spreminja vrednost koncentracije razlitega onesnažila v odvisnosti od razdalje L. Rezultat je graf, podoben temu na sliki 3.
Posebnost programa je, da je mogoče obravnavani vodotok oz. njegov odsek uvrstiti v enega izmed petih tipov. To nam pogosto bistveno olajša delo, na ta način pa enostavno rešimo tudi nekaj problemov, ki so sicer stalna praksa pri delu z enodimenzijskimi programi. Pri modeliranju izbiramo med naslednjimi možnostmi (slika 4):
•	obravnavani odsek vodotoka je brez posebnosti (brez zajezb in slapov),
•	obravnavani odsek vodotoka je zajezen,
•	na obravnavanem odseku vodotoka so tudi slapovi,
•	na obravnavanem odseku vodotoka so tako zajezbe kot tudi slapovi,
•	hiter izračun časa potovanj a onesnaženj a.
Zajezbo opredelimo kot del vodotoka, v katerem se hitrost vode zmanjša zaradi ene izmed zajeznih zgradb (prag, jez, idr.). Večina zajezb na slovenskih vodotokih je posledica bodisi manjših pragov in jezov (npr. na rekah Vipavi, Kolpi, idr) bodisi pregrad za hidroelektrarne (npr. na Dravi). Bistveno pri tem je, da se globina vode na
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
območju zajezbe spreminja od nižje na začetku zajezbe do višje tik pred jezom. Zato bi bilo ta območja neustrezno modelirati z enotno geometrijo struge, saj postopnemu višanju globine vode sledi postopno zmanjšanje hitrosti toka, s tem pa se čas potovanja onesnažil znotraj zajezbe ustrezno podaljša. Take primere v praksi običajno rešujemo s kompleksnejšimi 2D ali 3D (ali vsaj 1D neenakomernimi) modeli, a računski čas tovrstnih modelov pogosto presega čas, ki ga imamo v primerih razlitij nevarnih snovi na voljo za ukrepanje. Zato smo se v danem primeru odločili tudi znotraj zajezb uporabiti preprost 1D model Siporek, as to razliko, da na tovrstnih odsekih vodotok razdelimo na več pododsekov (do 10) in za vsakega podamo povprečno globino vode. Siporek v tem primeru globine vode ne določi iz vrednosti pretoka Q (taka globina vode bi bila podcenjena), temveč uporabi našo podano vrednost. Kot primer navedimo, da lahko znaša globina slovenskih vodotokov v zajezbah hidroelektrarn tudi preko 30 m; računati z enotno vrednostjo globine toka, ki v običajnih primerih znaša le do 5 m, bi bilo zato povsem neustrezno. Obenem pa se moramo zavedati tudi, da je tok v tako velikih zajezbah vse prej kot enodimenzionalen in moramo biti zato pri interpretaciji rezultatov 1D modela previdni.
V primeru, ko so na vodotoku prisotni tudi slapovi (npr. Sava Bohinjka, Idrijca, idr.), je to potrebno upoštevati pri računu naklona dna vodotoka. Običajno Siporek določi naklon dna iz podanih L (doložina odseka), zzgoraJ in zspodaJ (koti dna začetne in končne točke odseka) po:
I o =
z zgoraj z spodaj
L
(11)
V primeru slapov pa je naklon dna ustrezno manjši:
1 SLAP
z - z - H
zgoraj spodaj	SLAP
L
Slika 2: Krivulja c-t. Figure 2: c-t curve.
(12)
Slika 3: Krivulja c-x. Figure 3: c-x curve.
V nekaterih primerih je potrebno upoštevati tako zajezbe kot tudi slapove. Tak primer je npr. reka Krka, na kateri zaradi številnih kaskad ne moremo zanemariti ne vpliva zajezb ne slapov.
S programom Siporek je možno približno oceniti čas potovanja onesnažila tudi v primerih, ko ne razpolagamo s podatki o geometriji struge oz. je potrebno ukrepati zelo hitro. V tem primeru izberemo možnost 'Hiter izračun', ki zahteva vnos samo dveh podatkov: dolžine obravnavanega odseka L in približne hitrosti vode u.
Naj omenimo še, da je s programom Siporek možno računati tudi več primerov hkrati: programu v tem primeru podamo Excelovo vhodno datoteko z vsemi potrebnimi podatki, program pa jo zatem sam dopolni z rezultati.
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
Slika 4: Okno za vnos podatkov o zajezbah in/ali slapovih.
Figure 4: User interface for input data about possible accumulations or waterfalls in the channel.
3. Vhodni podatki in rezultati
3.1 Vhodne spremenljivke in parametri
Za račun potrebujemo naslednje vhodne podatke:
•	Dolžina rečnega odseka: L [m],
•	Koti dna začetne in končne točke odseka:
zzgoraj, zspodaj [m.n.m.],
•	Pretok: Q [m3/s],
•	Manningov koeficient trenja: nG [sm-13],
•	Kotangens naklonskega kota brežin a: m [-],
•	Širina dna korita: b [m],
•	Podatki o onesnažilu: izbiramo med nafto, kurilnim oljem in bencinom,
•	Podatki o dinamiki izliva onesnažila: podamo
do deset parov podatkov oblike: v_min je
izteklo_kg onesnažila),
•	Hitrost vetra: v [m/s].
Pri modeliranju uporabimo povprečne vrednosti na danem odseku. Dolžino L ter koti dna zzgorCj in zspodaj dobimo iz kart ali satelitskih posnetkov (uporabimo npr. spletno aplikacijo Google Zemlja). Trenutno vrednost pretoka Q ter poljubne statistične vrednosti najdemo npr. na spletni strani ARSO (ARSO, 2014).
Za Manningov koeficient trenja nG lahko poiščemo vrednosti v literaturi (npr. Chow, 1959; Rak, 2006; Steinman, 1999); če teh podatkov nimamo, pa lahko uporabimo najpogosteje uporabljeno vrednost 0,045, ki jo za zelo nizke pretoke ali močno zaraščene vodotoke še nekoliko povišamo (do 0,07), za večje vodotoke (npr. Drava, Mura) pa jo nekoliko znižamo (do 0,03 oz. 0,02 v primeru redno vzdrževanih umetnih kanalov). Pri izbiri nG upoštevamo še, da je ta vrednost po izkušnjah strokovnjakov v primeru 1D modeliranja za okoli 35% višja kot v primeru 2D ali 3D modeliranja (Belleudy, 2000). Manningov koeficient trenja se je nG izkazal za najobčutljivejši parameter, od katerega so močno odvisne tudi vrednosti končnih rezultatov; podobne izkušnje navajajo tudi drugi avtorji, tudi v primerih večdimenzijskih modelov (Pestotnik et al., 2012).
Slika 5: Prečni prerez, kakršnega uporabljamo pri modeliranju s programom Siporek.
Figure 5: A typical cross-section used for modelling with Siporek.
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
Vrednost kotangensa naklonskega kota brežin m v praksi niha od 0 (pravokotno korito) do 10 (zelo razširjeni deli strug na območjih ravninskega meandriranja vodotokov). Ker se je za parameter m po opravljeni občutljivostni analizi izkazalo, da ne vpliva bistveno na rezultate, ga v primerih razlitij nevarnih snovi, ko je potrebno rezultate dobiti čim hitreje, lahko ocenimo iz satelitskih posnetkov. Če teh virov nimamo, pa lahko uporabimo tudi osnovni vrednosti 1 (za hribinske vodotoke) oz. 2 (za ravninske vodotoke). Širino dna struge b prav tako ocenimo iz satelitskih posnetkov; običajno je na ta način možno oceniti samo širino gladine struge B, vendar iz te vrednosti s pomočjo kotangensa naklonskega kota brežin m zlahka določimo širino dna struge b (glej sliko 5). Pri modeliranju je možno upoštevati tudi, da je prerez struge sestavljen in je torej širina struge pri nizkih pretokih manjša kakor pri srednjih in visokih pretokih. Tudi ti različni vrednosti b se da določiti s pomočjo Google Zemlja (Google Earth, 2013) ali podobnih satelitskih posnetkov: pogosto se da iz posnetkov razbrati, do kod sega matica toka; širino le-te v tem primeru vzamemo za b pri nizkih pretokih.
Čeprav večinoma opisujemo, kako lahko potrebne podatke določimo na osnovi satelitskih posnetkov, poudarimo, da lahko vrednosti geometrije struge določimo tudi iz meritev prečnih profilov. Te vrednosti so vsekakor bolj natančne, vendar je do teh podatkov razmeroma težko priti (oz. celo nemogoče, če govorimo o razlitjih nevarnih snovi, ko je potrebno ukrepati v nekaj minutah). Obenem pa rezultati modela niso zelo odvisni od (poenostavljenih) podatkov o geometriji struge, kot je pokazala občutljivostna analiza.
Za hitrost potovanja onesnaženja vzdolž vodotoka je hitrost vetra neobčutljiva spremenljivka, zato zanjo običajno uporabimo kar vrednost 1 m/s. Natančnejšo vrednost hitrosti vetra je potrebno uporabiti samo pri računu deleža izhlapele mase po razlitju bencina, saj je hitrost izhlapevanja le-tega zelo odvisna od hitrosti vetra. Poudarimo pa, da je v primerih razlitja zelo hlapnih snovi prednostna naloga zavarovanje mesta razlitja, da ne pride do eksplozije, in ne zajezitev onesnaženja vzdolž vodotoka.
3.2 Rezultati
Med rezultati so najpomembnejši (glej sliki 2 in
3):
•	tzac: čas, ko začetna točka oblaka onesnaženja prispe do opazovane razdalje Lopaz (v primeru krivulje c-t); od tega trenutka dalje koncentracija onesnažila na razdalji Lopaz narašča [min],
•	tmax: čas, ko na razdalji Lopaz nastopi višek koncentracije onesnažila [min],
•	tkon: čas, ko se koncentracija na razdalji Lopaz ponovno zmanjša na mejno vrednost [min],
•	Lzac: razdalja, na kateri se v opazovanem času topaz nahaja začetek oblaka onesnaženja (v primeru krivulje c-x) [m],
•	Lmax: razdalja, na kateri se v času topaz nahaja višek koncentracije onesnažila [m],
•	Lkon: razdalja, na kateri se v opazovanem času topaz nahaja konec oblaka onesnaženja [m],
•	cmax: vrednost najvišje dosežene koncentracije izlitega onesnažila [kg/m3].
Poleg teh program izračuna in izpiše tudi
vrednosti tistih parametrov, ki za uporabnika
predstavljajo koristno informacijo:
Naklon dna: I0 [-], Globina toka: H [m], Površina prečnega prereza struge: S [m2], Širina gladine: B [m], Širina dna: b [m], Hitrost toka: u [m/s], Froudovo število: FR [-], Linijski mešalni koeficient: KX1 [m2/s] Strižna hitrost: ustrizna [m/s], Mejna razdalja: Lmejna [m], Mejni čas: tme]m [min]. Program zatem izriše graf, tj. krivuljo c-t oz. c-x.
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
4. PRIMER UPORABE PROGRAMA SIPOREK
Preglednica 1: Vhodni podatki za odseka (a) in (b) na reki Kolpi: (a) od kampa Podzemelj do sotočja z reko Lahinjo (levo) ter (b) od sotočja z Lahinjo do hrvaške meje (desno). Pomen oznak je opisan v poglavju 3.1.
Table 1: Input data for two segments of Kolpa river: (a) from the turist camp Podzemelj to the confluence of Kolpa and Lahinja rivers and (b) from the confluence to the border with Croatia. Abbreviations are described in section
3.1.			
Veličina	Enota	Odsek (a)	Odsek (b)
L	[m]	4800	11700
zzgoraj	[m.n.m]	135	133
zspodaj	[m.n.m]	133	127
Qsr	[m3/s]	63,3	75,0
na	[s m-13]	0,045	0,045
m	[-]	2	2
b	[m]	62	70
Ime primera: N Tip krivulje: C-T Opazovana lokacija: 4800 m
0.03 -j 0.025 -
(D
— 0.015 -(D	-
C 0.01 -
tu :
o
O 0.005 -^ :
0 J
0	50	100	150	200	250
Čas od začetka izpusta [min]
Izpis numeričnih vrednosti
POMOŽNI PARAMETRI (Lziačunani)	a,**.*.**
Naklon dna	10 = 0.00050000	[-]
Globina čoka	H = 1-S3	[m]
Površina preseka	S = 99.60	[m2J
Širina proste gladine	BB — 6 8.12	Cm]
Hitrost toka	U = 0.64	Cm/s]
Froudovo število	FR = 0-1640	[-]
Linij alti mešalni koeficient DX1 =	2-2633	[m2/a ]
Strižna hitrost	USTRIZ — 0.0834	Cm/s]
Maj na razdalja	IMEJNA = 14041.53	Cm]
Mejni čas	TMEJNI = 22093	[min]
*************** REZULTATI < krivulj a C-T) *************** Oddaljenost opazovane točke od izpusta:	4300-00 [m]
Čas od začetka izpusta	Koncentracija
korak	[min]	[kg/m3 ]
1	O	O _ 0000000000e+00
2	1	O _ 0000000000e+00
3	2	0.0000000000e+00
Korak: ^^HB^H	Št, korakov: 221
Slika 7: Rezultati računskega primera: krivulja ct za tok onesnaženja od kampa Podzemelj do sotočja Kolpe in Lahinje. V spodnjem oknu program izpiše izračunane parametre.
Figure 7: Results of the case study: c-t curve showing the propagation of the pollutant from the tourist camp Podzemelj to the confluence of Kolpa and Lahinja rivers. In the lower window all computed parameters are shown.
Slika 6: Računski primer: situacija (vir: Geopedia, 2013).
Figure 6: Case study: situation (source: Geopedia, 2013).
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
Ime primera: N Tip krivulje: C-T Opazovana lokacija: 11700 m
0.025 -i
r—i
E 0.02-X
C 0.005 -0
200	250	300	350	400
Čas od začetka izpusta [min]
Slika 8: Rezultati računskega primera: krivulja ct za tok onesnaženja od sotočja Kolpe in Lahinje do hrvaške meje.
Figure 8: Results of the case study: c-t curve showing propagation of the pollutant from the confluence of Kolpa and Lahinja rivers to the border with Croatia.
Navedimo še primer uporabe programa Siporek. Predpostavimo, da je v kampu Podzemelj ob reki Kolpi prišlo do nesreče: v eni uri je v reko izteklo 4500 kg kurilnega olja. V prvih 20 min je v vodotok izteklo 2000 kg olja, v naslednjih 20 min ga je izteklo 1500 kg in v zadnjih 20 min še 1000 kg. Zanima nas, kako dolgo bo onesnaženje potovalo najprej do sotočja z reko Lahinjo, zatem pa še do hrvaške meje (slika 6).
Geodetske vhodne podatke najhitreje dobimo iz satelitskih posnetkov (Google Zemlja), podobno velja tudi za podatke o geometriji struge in hidravlične parametre. Podatke o (trenutnem) pretoku poiščemo na spletni strani ARSO (ARSO, 2014). Vse potrebne vhodne podatke prikazujemo v preglednici 1.
Ker nas zanima čas potovanja od začetne do končne točke odseka, uporabimo krivuljo c-t. Rezultati so prikazani na slikah 7 in 8.
5. ZAKLJUČEK
Siporek je preprost in uporaben program. Zasnovali smo ga z namenom, da bi tistim, ki odločajo o ukrepih v primerih razlitij nevarnih
snovi, kar se da olajšali delo, ko gre zares. Ker je v takih primerih potrebno reagirati zelo hitro, je Siporek namenoma preprost, hiter in enostaven za uporabo. Ker pri prvih ukrepih po razlitjih nevarnih snovi sodelujejo predvsem GEŠP-i in druge organizacije, ki niso neposredno usposobljene za delo s strokovnimi računalniškimi programi, smo se pri razvoju programa potrudili uporabniški vmesnik za vnos vhodnih podatkov čim bolj poenostaviti. V okviru projekta 'Študija učinkovite uporabe vodnih baraž - OCV' (Četina et al., 2012) smo večino potrebnih vhodnih podatkov za račun toka onesnažil po slovenskih rekah pripravili vnaprej; hrani jih URSZR, ki v primerih razlitij nevarnih snovi vodi ukrepe.
Čeprav je Siporek primarno namenjen hitrim ukrepom v primerih razlitij nevarnih snovi, menimo, da je zaradi preprostosti in transparentnosti uporaben tudi kot študijsko gradivo. Zato upamo, da bo našel pot do kar se da širokega kroga uporabnikov.
Viri
Al-Rabeh A.H., Lardner R.W., Gunay N. (2000). Gulfspill Version 2.0: a software package for oil spills in the Arabian Gulf. Environmental Modelling & Software 15, 425-442.
ARSO, Agencija RS za Okolje (2014). Dostop do podatkov o vodah v Sloveniji. Dostopno na spletu: http ://vode.arso. gov. si/ (pridobljeno 18. 6. 2014).
Belleudy P. (2000). Restoring flow capacity in the Loire River bed. Hydrological Processes 14, 23312344.
Chow V.T. (1959). Open-Channel Hydraulics. McGraw-Hill, 680 p.
Četina M., Banovec P., Fesel M., Cerk M., Cilenšek A., Sirnik N., Džebo E. (2012). Študija učinkovite uporabe vodnih baraž-OCV. Tehnično poročilo. Univerza v Ljubljani, FGG, 105 p.
Burovic B., Mikoš M. (2004). Preventivno obvladovanje tveganj zaradi naravnih nevarnosti -postopki v alpskih državah in Sloveniji. Acta hydrotechnica, 22(36), 17-35.
Fischer H., List E., Koh R., Imberger J., Brooks N. (1979). Mixing in inland and coastal waters. Academic Press Inc, 483 p.
118
Sirnik N. et al.: Siporek: program za hitro oceno onesnaženosti vodotoka v primerih razlitij nevarnih snovi - Siporek: a
computer program for simulating spills of hazardous chemicals in natural watercources
	Acta hydrotechnica 25/43 (2012), 117-127, Ljubljana	
Geopedia (2013). Dostopno na spletu: http://www.geopedia.si/ (pridobljeno 3. 6. 2014).
Google Earth (2013). Dostopno na spletu: http://www.google.com/earth/index.html/ (pridobljeno 14. 11. 2012).
HEC-RAS, US Army Corps of Engineers (2013). Dostopno na spletu:
http: //www. hec.usace. army. mil/software/hec-ras/ (pridobljeno 6. 6. 2014).
Lehr W.J., Fraga R.J., Belen M.S., Cekirge H.M. (1984). A new technique to estimate initial spill size using a modified Fay-type spreading formula. Marine
Pollution Bulletin, 15, 326-329.
Mackay D., Paterson S., Nadeau S., (1980). Calculation of the evaporation rate of volatile liquids. Proceedings of the 1980 National conference on control of hazardous material spills, Louisville, Kentucky, 361-368.
Pestotnik S., Hojnik T., Šraj M. (2012). Analiza možnosti uporabe distribuiranega dvodimenzijskega modela Flo-2D za hidrološko modeliranje. Acta hydrotechnica, 25(43), 85-103.
Rajar R., Širca A., Četina M., Steinman F., Žagar D. (1994). Matematični model za simulacijo širjenja nafte in procesov ob razlitju polutantov v površinskih vodah - 2. del: Enodimenzionalni model za simulacijo širjenja nafte in polutantov v rekah. Tehnično poročilo. Univerza v Ljubljani, FGG, 19 p.
Rak G. (2006). Uporaba prostorskih podatkov v analizi hidravličnih lastnosti vodotokov (Using spatial data in open channel hydraulic analysis). Unpublished Bachelor Thesis, Univerza v Ljubljani, FGG, 81 p.
Razlitje, Spletna aplikacija za učinkovito uporabo vodnih baraž (2012). Dostopno na spletu: http://www.vokas.razlitje/ (pridobljeno 5. 12.2012).
Shen H., Yapa P., Wang D., Yang X. (1991). A mathematical model for oil slick transport and mixing in rivers. Tech. Report No 91-1, Department of Civil and Environmental Engineering, Clarkson University, Potsdam.
Steinman F. (1999). Hidravlika. Univerza v Ljubljani, FGG, 295 p.
Širca A., Rajar R. (1997). SIPOR - program za brzu prognozu rasprostiranja polutanata u rijekama. Vodoprivreda 1, 17-25 (in Serbo-Croatian).
Širca A., Rajar R., Četina M. (1994). SIPOREK -Program za hitro oceno onesnaženja v vodotokih ob morebitnih razlitjih. Mišičev vodarski dan '94: Ukrepi za varovanje voda pred onesnaženjem, 64-69.
118