HYDROLOGIA – w najogólniejszym znaczeniu nauka zajmująca się badaniem hydrosfery oraz zjawisk i procesów, jakie w niej zachodzą.
Ze względu na tematykę hydrologię dzielimy na:
hydrologie właściwą zajmująca się zagadnieniami występowania i krążenia wody w hydrosferze,
hydrofizykę z hydromechaniką zajmujące się fizycznym aspektem zjawisk wodnych,
hydrobiologie zajmująca się życiem w środowisku wodnym,
hydrochemie zajmująca się chemicznymi właściwościami i przemianami wód
Gałęzie hydrologii
hydrometeorologia
potamologia
limnologia
oceanologia
agrohydrologia
hydrogeologia
glacjologia
geohydrologia
HYDROSFERA – wodna powłoka ziemi przenikająca skorupę ziemska i atmosferę ziemską. Obejmuje wody powierzchniowe, wody podziemne, lodowce, parę wodna w atmosferze i skorupie ziemskiej.
Przeważająca ilość wody zmagazynowana jest w ocenach przez czas dłuższy niż potrzebny dla pełnego cyklu hydrologicznego. Ocenia się, że około 1338000000km3 światowych zasobów wody znajduje się w oceanach. Stanowi to około 96,5 %zasobów wody.
SŁUŻBA HYDROLOGICZNA I JEJ ORGANIZACJA
Systematyczne obserwacje i pomiary hydrologiczne w wielu krajach prowadzone są przez specjalnie do tego powołane służby, zwane służbą hydrologiczną. W Polsce:
PIG Państwowy Instytut Geologiczny.
IMiGW Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
POSTERUNEK TERENOWY – miejsce prowadzenia pomiarów jednego bądź kilku elementów
STACJA – zadaniem stacji jest nadzór nad posterunkami oraz wykonywanie pomiarów przepływu w przekrojach wodowskazowych znajdujących się na danym obszarze, jak również sporządzanie zestawień oraz wstępne opracowanie mat. obserwacyjnych i pomiarowych.
SIEĆ OBSERWACYJNO-POMIAROWA:
hydrologiczna
meteorologiczna.
Sieć hydrologiczna – posterunki:
wodowskazowe: stany wód, temperatura wody,
wód podziemnych: stany, temperatura,
wydajność źródeł; pomiar wydajności, temperatura,
ewaporymetryczne: pomiar parowania,
morskie: zasolenie, falowanie, zlodzenie.
Sieć meteorologiczna – posterunki
opadowe; wysokość opadu, temperatura opadu, gęstość śniegu,
meteorologiczne: kierunek i siła wiatru, nasłonecznienie, temperatura powietrza,
fenologiczne: ważniejsze przejawy rozwoju roślin mające wpływ na warunki wodne.
PUBLIKACJE
Roczniki hydrologiczne – stany wód powierzchniowych Odry i Wisły
Rocznik wód podziemnych
Wyniki pomiarów hydrometrycznych – prędkość i natężenie przepływu oraz transport unosin
Opady atmosferyczne
Rocznik meteorologiczny
PRAWO
W 2004 r. rozpoczęto wdrażanie monitoringu jakości wód zgodnego z wymogami 2000/60/UE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23,10,2000 zwanej Ramową Dyrektywą Wodna (RDW)
Harmonogram wdrażania RDW
prawo wodne z dnia 18,07,2001, DZ.U>2001,115,1229 z dnia 11,10,2000.
Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27.11.2002 w sprawie wymagań, jakimi powii8ny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrywania ludności w wodę przeznaczoną do spożycia ( Dz.U. nr 204/2002 poz. 1718).
domyślnie dążymy do pełnj zgodności z Ramowa Dyrektywa i Dyrektywa Córką – całość do 2007.
ustawa z dnia 4.02.1994 Prawo Geologiczne i górnicze ( Dz.U. nr 27)
ZASOBY WODNE NA ZIEMI
Krążenie wody w przyrodzie to zjawisko ciągłego przemieszczania się wody pomiędzy atmosferą, hydrosfera a litosferą. Zachodzi ono w strefie obejmującej troposferę i wierzchnią warstwę skorupy ziemskiej tj. od około 0,8 km wgłęb litosfery do około 16 km atmosfery i stanowi zamknięty cykl obiegu wody tzw. cykl hydrologiczny.
Obieg wody nie ma punktu początkowego, ale możemy prześledzić cały cykl poczynając od oceanu. Siłą napędową procesu obiegu wody jest Słońce. Podgrzewa ono wodę w oceanie, ta zaczyna parować i w postaci pary unosi się nad oceanem. Wznoszące prądy powietrzne przenoszą parę wyżej, do atmosfery, gdzie niska temperatura wywołuje proces kondensacji, powstają chmury. Poziome prądy powietrzne, z kolei, przenoszą chmury wokół globu ziemskiego. Drobne cząsteczki wody w chmurach zderzają się ze sobą, powiększają swoją masę i w końcu, w postaci opadu spadają na ziemię. Opadem może być śnieg, który gromadząc się na powierzchni Ziemi z czasem przekształca się w pokrywę lodową i lodowce. Te ostatnie mogą zatrzymać zamrożoną wodę na tysiące lat. W cieplejszym klimacie pokrywa śnieżna zwykle wiosną roztapia się. Część wód opadowych i roztopowych spływa po powierzchni ziemi, tworząc odpływ powierzchniowy. Dociera do rzek i jako przepływ rzeczny podąża w stronę oceanu. Woda spływająca po powierzchni lub przesiąkająca w głąb zasila jeziora słodkiej wody. Znaczna część wody przesiąka, infiltruje do gruntu. Woda utrzymująca się stosunkowo blisko jego powierzchni tworzy odpływ gruntowy, zasilający wody powierzchniowe (i ocean). Część wód gruntowych znajduje ujście na powierzchni Ziemi, gdzie pojawia się w postaci źródeł słodkiej wody. Płytkie wody gruntowe wykorzystywane są przez system korzeniowy roślin. W roślinach woda transpirowana jest przez powierzchnię liści i z powrotem przedostaje się do atmosfery. Część wody infiltrującej do gruntu przesiąka głębiej, zasilając warstwy wodonośne (nasycone wodą warstwy gruntu), które magazynują ogromną ilość słodkiej wody przez długi czas. Jednak po jakimś czasie woda ta dotrze do oceanu, gdzie cykl obiegu wody "kończy się".... och nie – gdzie się "rozpoczyna".
Obieg wody w przyrodzie obejmuje obieg duży pomiędzy atmosfera, morzem, a kontynentem. Dzielimy go na dwa obiegi małe: I miedzy morzem a atmosferą, II faza kontynentalna – lądowa- opad atmosferyczny, odpływ podziemny, wsiąkanie, odpływ powierzchniowy, retencja, faza atmosferyczna – parowanie, przemieszczanie i kondensacja pary wodnej.
INFILTRACJA – wsiąkanie wody opadowej w głąb terenu, podstawowa forma zasilania wód podziemnych. To, co faktycznie dopłynie do wód podziemnych to tzw. infiltracja efektywna.
DOPŁYW LATERALNY – dopływ boczny , z sąsiadujących terenów wodonośnych.
ASCENCJA
Cykl hydrologiczny można a wyrazić za pomocą równania bilansu wodnego, w którym składowe przedstawiają liczbowo poszczególne fazy obiegu wody. Bilans wodny globu ziemskiego charakteryzuje równowaga pomiędzy parowaniem wód.
P = E
P – całkowity opad atmosferyczny na obszarze lądów i oceanów
E – całkowite parowanie lądów i oceanów
Faza kontynentalna
Pk-Ek-Hk=Rk
Pk – całkowity opad atmosferyczny na obszarze lądów
Ek – całkowite parowanie na obszarze lądów
Hk – całkowity odpływ powierzchniowy na obszarze lądów
Rk – zmiana retencji na obszarze lądów
Po-Eo+Hk=Ro
Po – całkowity opad na obszarze oceanów
Eo – całkowite parowanie na obszarze oceanów
Hk – całkowity odpływ wody z lądów
Ro – zmiana retencji w oceanach./
CZAS WYMIANY
Rzeki są tym ogniwem kontynentalnym w którym wymiana wody odbywa się bardzo szybko, od 12 cdo25 dni. Wymiana wody w jeziorach jest wolniejsza, szacuje się ja na około 3 lata. Największa aktywnością charakteryzuje się woda w atmosferze, wymienia się co 8 dni. Teoretycznie woda jako całość w hydrosferze wymienia się co 2700 lat.
CIEKI –są liniowymi obiektami hydrograficznymi. Jest to ogólne określenie powierzchniowych wód płynących w formie skoncentrowanej pod wpływem siły ciężkości korytem naturalnym – cieki naturalne, lub sztucznym – cieki sztuczne.
Ciekami jako obiektami wodnymi zajmuje się potamologia.
RZEKA jest obiektem naturalnym, zasilanym wodami powierzchownymi lub podziemnymi. Ma ukształtowane koryto, a woda płynie pod wpływem siły ciężkości. Płynie w dolinie ukształtowanej w sposób naturalny (erozja).
DOLINA CIEKU - obszar położony po obu stronach cieku, utworzony na skutek erozyjnego działania wody płynącej. Najniżej położona część doliny, znajdująca się stale lub okresowo pod wodą nazywana jest łożyskiem lub korytem cieku.
KORYTO- najniższa część doliny wyżłobiona przez rzekę , która płynie przez większą część roku( Lambor wyróżnia koryto niskiej wody czyli część koryta, którą rzeka płynie cały rok)
TARAS ZALEWOWY – część dna doliny, która okresowo, przy wysokich stanach wód jest zalewana
ŁOŻYSKO – koryto łącznie z obszarem zalewowym
Ø Przekrój poprzeczny koryta cieku można opisać podając następujące parametry:
Szerokość zwierciadła wody w metrach (B)
Powierzchnia przekroju poprzecznego w m2 (F)
Głębokość maksymalna koryta przy danym napełnieniu, czyli szerokości
Obwód zwilżony(P), czyli długość odcinka w metrach obwodu przekroju poprzecznego, na której woda styka się z podłożem.
KILOMETROWANIE RZEKI ZACZYNAMY ZAWSZE OD UJŚCIA I IDZIEMY W STRONĘ ŻRÓDŁA!!!
Sieć rzeczna, jej układ i gęstość zależy od warunków fizyczno-geograficznych na danym obszarze. Gęstość sieci rzecznej można zobrazować jedyną z następujących charakterystyk:
Średnia gęstość sieci rzecznej – iloraz długości cieków różnego rzędu i powierzchni pola rozpatrywanego obszaru (dorzecza, zlewni)
D = L / A (m/km2)
Wskaźnik gęstości cieków (Fn) – iloraz całkowitej liczby cieków rożnego rzędu i powierzchni ich zlewni
Fn = N/P (1/km2)
Spadek podłużny cieku – różnica wysokości na danym odcinku
Spadek średni rzeki – różnica wysokości między źródłem a ujściem rzeki do odległości między nimi
Rzeka infiltrująca – oddaje wodę do warstwy wodonośnej
Rzeka drenująca - pobiera woda z warstwy wodonośnej
W Polsce rzeki drenujące okresowo mogą być infiltrujące. Na stałe taka sytuacja ma miejsce kiedy w dolinie mamy ujęcie wody.
PODZIAŁ RZEKI:
Ø bieg górny ( duży spadek, duża prędkość, erozja wgłębna)
Ø bieg środkowy ( spadek i prędkość maleje, erozja denna maleje na rzecz erozji bocznej, powstają zakola, meandry)
Ø bieg dolny (mała prędkość i spadek, akumulacja przeważa nad erozją)
ZLEWNIA - część powierzchni terenu zamknięta działem wodnym w dowolnym profilu (np. wodowskazowym, zapory, mostu, ujścia cieku), z którego wody spływają do jednego wspólnego odbiornika (rzeki, jeziora, bagna). W przypadku, gdy zlewnia obejmuje cały system rzeczny, tj. system rzeki głównej i jej dopływów, pojecie zlewni jest równoznaczne z pojęciem dorzecza.
ZLEWISKO MORZA - zespół dorzeczy odprowadzający wody do jednego wspólnego morza.
DORZECZE - jest obszarem, z którego wody spływają do jednego systemu rzecznego.
DZIAŁ WÓD – granica zlewni. Rozróżnia się dział wód powierzchniowych ( topograficzny) i dział wód podziemnych.
Dział wód powierzchniowych jest to linia rozdzielająca kierunki odpływu wód do dwóch rożnych systemów rzecznych.
Wyznaczanie granic poszczególnych zlewni na obszarze dorzecza jest nazywane podziałem dorzecza. Wykonując podział dorzecza otrzymujemy zlewnie cząstkowe ( elementarne), Zlewnie poszczególnych dopływów rzeki głównej i tzw. przyrzecza, obszary bezpośrednio odwadniane do rzeki głównej , położone nad nią między zlewniami jej dopływów.
Wyznaczanie granic wód podziemnych wykonuje się z mapy hydroizohips ( mapa ukształtowania powierzchni wód podziemnych) . Dział wód powierzchniowych może, ale nie musi pokrywać się z działem wód podziemnych.
Mapa hydrograficzna przedstawia dział wód powierzchniowych
OBSZAR BEZODPŁYWOWY – nie można wyznaczyć odbiorników wód ( tylko infiltracja, albo parowanie)
Pomiar stanów wód podziemnych przeprowadza się za pomocą studni kopanych albo specj. otworów tzw. piezometrów(rura, na dole filtr)
Świstawka – urządzenie wpuszczane do piezometru, które w momencie kontaktu z wodą wydaje dźwięk podobny do gwizdu
Grubość lodu na rzece mierzymy za pomocą kosy.
Natężenie zjawisk lodowych mierzy się za pomocą celownika.
Natężenie spływu kry mierzy się za pomocą stopera i wyznaczonego odcinaka rzeki.
STAN WODY - położenie zwierciadła wody w danym przekroju ponad przyjęty umownie poziom, zwany zerem wodowskazu. Jest to wielkość względna, podawana w centymetrach (z dokładnością do 1 cm) i oznaczana literą H.
WODOWSKAZ - jest to wyskalowany przyrząd do mierzenia poziomu wody osadzony w określonym profilu pomiarowym (często pojęciem tym określany jest → profil wodowskazowy). Zwykle posiada odpowiednią podziałkę do odczytu stanu wody tj. poziomu wody w odniesieniu do "zera" wodowskazu.
Rozróżnia się następujące typy wodowskazów:
Ø łatowe
Ø palowe
Ø pływakowe
Ø samopiszące (limnigrafy)
Ø zdalnie piszące (telelimnigrafy)
Ø maksymalne
Ø precyzyjne
ZERO WODOWSKAZU - umowny poziom usytuowania początku skali [0 cm] na łacie wodowskazowej, dowiązany geodezyjnie do państwowej sieci niwelacyjnej, wyrażony w metrach [n.p.m.] w Kronsztad.
RZĘDNA ZERA WODOWSKAZU - rzędna punktu zerowego wodowskazu określona niwelacyjnie w stosunku do poziomu odniesienia.
PROFIL WODOWSKAZOWY - profil, w którym dokonywane są obserwacje hydrologiczne i pomiary hydrometryczne.
WW (wysoka woda) - najwyższy stan rocznyNW (niska woda) - najniższy stan roczny
Podstawowe warunki wodowskazowe:
Ø koryto rzeki musi być zwarte i jednolite
Ø zwierciadło wody musi być swobodne
Ø możliwości techniczne przeprowadzania stałych pomiarów
Ø dna rzeki nie powinno ulegać zmianom (erozja)
Ø musi posiadać dokumentacje
Ø musi być zaniwelowany do państwowej sieci niwelacyjnej (określenie rzędnej zera wodowskazu)
Obserwacje stanów wód powierzchniowych dzieli się na stałe i terminowe (zwyczajne i nadzwyczajne). Obserwacje stałe przeprowadza się codziennie o godzinie 7 rano.
Ilość wody w rzecze zależy od:
Ø ilości i wielkości dopływów
Ø zjawiska infiltracji dolinowej
Ø poborów i zrzutów wód
Ø zbiorników retencyjnych
ROK HYDROLOGICZNY - ciągły dwunastomiesięczny okres, w Polsce od 1 listopada do 31 października; wprowadzony dla łatwiejszego bilansowania zasobów wodnych. Wszystkie charakterystyki hydrologiczne obliczane są dla lat hydrologicznych.STANY CHARAKTERYSTYCZNE (opracowywane dla potrzeb hydrologii operacyjnej) - publikacja IMGW dla posterunków wodowskazowych sygnalizacji codziennej i powodziowej, w której zamieszczone są stany charakterystyczne, ekstremalne i średnie z wielolecia. Oprócz zwykle opracowywanych stanów charakterystycznych do zestawienia wprowadzono stany alarmowe, ostrzegawcze oraz graniczne między strefami stanów niskich i średnich oraz średnich i wysokich. Obecnie stany te aktualizowane są co rok. Hydrologiczne definicje konkretnych stanów charakteryst. można znaleźć m.in. w pracach Dębskiego (1970), Lambora (1971) i Ozga-Zielińskiej (1997).
Do stanów głównych I stopnia zaliczamy:
Ø Stan minimalny NW
Ø Stan maksymalny WW
Ø Stan przeciętny (średni) SW
Ø Stan zwyczajny (stan środkowy) ZW
KRZYWA CZASÓW TRWANIA - wykres przedstawiający czas, w ciągu którego wartość danego parametru, np. stanu wody, jest równa lub większa od pewnej zadanej jego wartości, niezależnie od czasu jego wystąpienia. Krzywa czasu trwania stanów wody obrazująca czas trwania danych stanów wody ( liczba dni w ciągu danego okresu przy obserwacjach terminowych stałych) wraz ze stanami wyższymi lub wraz ze stanami niższymi
KRZYWA CZĘSTOŚCI - krzywa określająca związek możliwych wartości zjawiska hydrologicznego z częstością jego występowania. Częstość stanów wody liczba wystąpień określonego stanu w określonym czasie
KRZYWA KONCENTRACJI (gałąź wznosząca hydrogramu) - część hydrogramu przedst. przybór wody aż do osiągnięcia kulminacji.
KRZYWA RECESJI (krzywa opadania, wysychania) - krzywa obrazująca spadek przepływu rzecznego w wyniku malejącego zasilania przez wody powierzchniowe. Przy przedłużającym się braku zasilania przechodzi w krzywą wysychania, która obrazuje tempo wyczerpywania zapasu wód podziemnych.
KRZYWA SUM CZASÓW TRWANIA PRZEPŁYWÓW - krzywa określająca czas trwania danego przepływu (wraz z niższymi lub wyższymi) w roku hydrologicznym, niezależnie od porządku chronologicznego. Czas trwania może być podany w dniach lub procentach. KRZYWA SUMOWA (krzywa całkowa) - krzywa sumowania określonych wartości np. przepływów w funkcji czasu.
KRZYWA PRZEBIEGU STANÓW WODY (hydrogram) - jest to krzywa przedstawiająca przebieg stanów wód rzeki w czasie w określonym przekroju hydrometrycznym.
H = f(t)
Stany skrajne do określenia amplitudy przepływu, nie można z tego odczytać ile taki stan trwał.
Hydrogramy wykazują duże cechy podobieństwa, jeśli dotyczą tej samej rzeki lub rzek sąsiednich. Stany można ze sobą porównywać, mówimy wtedy o korespondencji stanów wody.
Związki wodowskazowe służą do
korekty stanów wodowskazowych,
uzupełnienie braków stanów wód,
kontroli zmian zachodzących w korycie rzeki ( erozja, zarastanie)
kontroli poziomu zera wodowskazu
opracowywania prognoz hydrologicznych
Zbiór stanów korespondujących nanosi się na układ osi współrzędnych prostokątnych w postaci zbioru punktów gdzie:
Ha=x
Hb=y
Taki wykres nazywamy diagramem korelacyjnym.
Liniowy związek określamy za pomocą równania y= a*x + b, gdzie y to stan na wodowskazie dolnym, a x stan na wodowskazie górnym.
Stopień zależności miedzy x, y charakteryzuje współczynnik korelacji r. wartość r2 pokazuje w jakim procencie zmienna y zależy od zmiennej x, a w jakim procencie przypada na czynniki oboczne.
NATĘŻENIE PRZEPŁYWU – ilość wody przepływającej przez przekrój poprzeczny koryta w jednostce czasu w m3/s.
METODY BEZPOŚREDNIE POMIARU...
brzezinka