1

Hydrologia 2008 PWr

1. Mały i duży obieg wody w przyrodzie.
2. Pomiary stanów wody, natężenia przepływu.
 - techniki i przyrządy.
3. Krzywa natężenia przepływu (krzywa konsumpcyjna).
4. Klasyfikacja modeli stosowanych w hydrologii.
5. Model ruchu nieustalonego w korytach otwartych.
6. Metody obliczania przepływów ze zlewni niekontrolowanych.
7. Modele rozkładu prawdopodobieństwa stosowane w hydrologii.
8. Elementy bilansu wodnego. m. in. metoda Wołoszyna

1.       Mały i duży obieg wody w przyrodzie[1]

Krążeniem wody w przyrodzie nazywamy ciągłe przemieszczanie się wody między atmosferą, hydrosferą i litosferą. Najważniejszym czynnikiem, który powoduje krążenie wody w przyrodzie jest energia cieplna Słońca; dzięki niej zachodzi parowanie i unoszenie cząsteczek wody w górę do atmosfery. Zmiany atmosferyczne prowadzą do powstania chmur, a z nich opadów, które pod wpływem siły ciężkości spadają na powierzchnię mórz i lądów. Głównym źródłem dopływu wilgoci do atmosfery są oceany. Pod wpływem promieniowania słonecznego woda z powierzchni mórz i oceanów paruje, dostarczając wilgoci do powstawania chmur, a w konsekwencji do powstawania opadów atmosferycznych. Woda, która w postaci opadów atmosferycznych trafia na kontynenty, częściowo wyparowuje z powierzchni lądów z powrotem do atmosfery, część jej spływa do powierzchni dając odpływ powierzchniowy w postaci rzek do mórz, część natomiast wsiąka do gruntu i przenika do wód podziemnych dając odpływ podziemny ku różnym naturalnym odbiornikom wody (źródła, bagna, rzeki itp.) Część wód opadowych pobierają rośliny i podlega ona transpiracji do atmosfery. Część wód opadowych w postaci śniegu, lodu i lodowców jest zatrzymywana (retencjonowana) na powierzchni i okresowo wyłączona z obiegu.

              Zamknięty cykl krążenia wody między oceanem, atmosferą i kontynentem nosi nazwę dużego obiegu wody; krążenie wody między atmosferą i kontynentem lub atmosferą i oceanem jest nazywane małym obiegiem wody.

              W obiegu wody wyróżnia się dwie fazy:

Faza atmosferyczna: parowanie wody, przenoszenie pary wodnej w atmosferze i jej kondensację

Faza kontynentalna: opad atmosferyczny, odpływ powierzchniowy, wsiąkanie, odpływ podziemny i różne formy retencji wody.

8. Elementy bilansu wodnego[2]

Za pomocą równania bilansu wodnego można wyrazić cykl hydrologiczny. Składowe bilansu wodnego przedstawiają liczbowo poszczególne fazy obiegu wody. Bilans wodny globu ziemskiego charakteryzuje równowaga między parowaniem wód a opadem atmosferycznym. Przedstawić go można w postaci

P=E

Gdzie: P – całkowity opad atmosferyczny na obszary lądów i oceanów, E – całkowite parowanie z powierzchni lądów i oceanów.

Każdą fazę cyklu hydrologicznego można opisać własnym bilansem wodnym. Równanie bilansu wodnego lądowej fazy c. h. można przedst. w postaci

Gdzie: Pk – całk. opad atm. na obszary lądów, Ek – całk. parowanie z pow. lądów, Hk - całkowity odpływ z lądów do oceanu światowego, Δ Rk – zmiany retencji wody na lądach.

Równanie bilansu wodnego dla fazy oceanicznej c. hydr. można wyrazić w postaci             

Gdzie: Hk – całkowity opad atm. na pow. oceanów, Hk – parowanie z pow. oceanu, Hk – całk. dopływ wód z kontynentów, Hk – zmiany retencji wody w oceanie.

Faza lądowa obiegu wody cechuje się przewagą opadu atmosferycznego nad parowaniem; nadwyżkę stanowi odpływ z kontynentów do mórz. Faza oceaniczna cyklu hydrologicznego charakteryzuje się przewagą parowania nad opadem; powstały niedobór jest uzupełniany dopływem z lądów.

Powyższe wzory dotyczą bilansowania cyklów hydrologicznych. Gdy mamy do czynienia z obliczaniem zlewni stosujemy inne metody. Najprostszą postać równania bilansu wodnego wyraża równanie Pencka-Oppokowa.

Nowsza metoda bilansu wodnego (Lwowicza) uwzględnia siedem składników bilansowych.

Składniki bilansu wodnego można określić mm warstwy wody lub w jednostkach objętości (mln m3, km3).

Podstawową jednostką czasu w hydrologii jest rok hydrologiczny, tj. okres od 1 listopada do 31 października następnego roku.

2.       Pomiary stanów wody i natężenia przepływu. (techniki, przyrządy)[3]

A)      Pomiary stanów wody

Stan wody – wysokość zwierciadła wody ponad poziom (zerowy) porównawczy.

Stany wody są podstawową charakterystyką hydrologiczną rzeki. Mierzy się je za pomocą wodowskazów. Miejsce prowadzenia pomiarów stanów wody nazywa się posterunkiem wodowskazowym, natomiast punkt na rzece, w którym zainstalowany jest wodowskaz, nosi nazwę profilu wodowskazowego.

Profil wodowskazowy powinien być tak zlokalizowany, aby możliwe było właściwe funkcjonowanie posterunku.

Lokalizacja profilu winna spełniać następujące warunki:

·         koryto rzeki w profilu wodowskazowym powinno być zwarte, jednolite i mieścić (w miarę możliwości) cały przepływ rzeki;

·         zwierciadło wody w profilu wodowskazowym powinno być swobodne;

·         dno rzeki nie powinno ulegać zmianom (erozji lub akumulacji), jak również nie powinno zarastać roślinnością rzeczną;

·         profil musi być tak dobrany, aby istniały w nim dogodne warunki techniczne do założenia wodowskazu oraz by można było zapewnić dobrą ochronę wodowskazu przed uszkodzeniami

·         wodowskaz musi być łatwo dostępny dla obserwatora;

Rodzaje wodowskazów

·         łatowe –najczęściej spotykany typ wodowskazu. Składa się z łaty wodowskazowej i podziałki

·        

Łaty wodowskazowe mogą być umieszczane w nurcie rzeki lub np. przy filarach mostów. Wykonuje je się  z drewna, metali lub tworzyw sztucznych.

Typy wodowskazów

Łata prosta - – podziałka na  łacie jest określona co 2 cm (dokładnością odczytu co 1 cm) opisana poprzez 3 cyfry.  Łatę taką można stosować przypadku  niezbyt  dużych wahań stanów wody.

Wodowskaz grupowy – w przypadku, gdy zakres pomiarów na łacie jest dość duży stosuje się łaty dzielone. Wchodzą one w skład jednego wodowskazui mają wspólny poziom (zera) odniesienia.

Wodowskaz schodkowy – stosowany w korytach uregulowanych. Fragmenty łat są przymocowane do schodów usytuowanych na skarpach cieku. Przy  tego typu położeniu  łat odczyt jest bardzo dokładny.

Łaty skośne  – montowane na skarpach cieków po regulacji (w  żłobach). W tego typu  łatach podziałka jest skażona (wielkość skażenia zależy od kąta nachylenia skarp cieku).  Przy takim położeniu łat odczyt jest bardzo dokładny, gdyż nie następuje spiętrzenie wody na wodowskazie. Wodowskaz jest usytuowany bokiem do nurtu.

Wodowskaz palowy – składa się z szeregu pali wbitych w przekroju poprzecznym rzeki w dno i skarpy. Główki pali mają określone rzędne ponad poziom porównawczy. Pomiar polega na określeniu wzniesienia zwierciadła wody ponad główką pala zanurzonego w wodzie. Stosowany na nieuregulowanych ciekach.

Łaty cyfrowe –

Wodowskazy pływakowe –

Wodowskazy maksymalne –

Limnimetry

Limnimetr - przyrząd do rejestracji zmiany stanu wody w czasie. Przyrząd składa się z urządzenia pomiarowego i urządzenia rejestrującego.

Limnigraf – przyrząd rejestrujący w sposób graficzny zmiany stanu wody w czasie.

Stosowane są limnimetry:

·         Pływakowe

·         Ciśnieniowe

·         Elektroniczne

Urządzenia rejestrujące mogą być:

·         Mechaniczne

·         Analogowe

·         Cyfrowe

B)      Pomiar natężenia przepływu

Pomiary natężenia przepływu mają na celu określenie ilości wody Q przepływającej w cieku naturalnym lub sztucznym w jednostce czasu t.

Gdzie: V – objętość przepływającej wody , t – czas

Mogą one być wykonywane w różny sposób, przy czym wybór odpowiedniej metody pomiaru zależy zarówno od rodzaju i wielkości cieku wodnego, jak i od rodzaju posiadanych przyrządów.

              Rozróżnia się dwie grupy metod pomiarowych:

A. Metody jednoparametrowe nazywane również bezpośrednimi, polegają na pomiarze jednej zmiennej funkcji opisującej przepływ, np. wysokość strumienia wody przelewającej się przez przelew.

B. Metody wieloparametrowe nazywane pośrednimi polegają na pomiarze kilku zmiennych mających wpływ na wielkość przepływu, takich jak prędkość średnia, powierzchnia przekroju hydrometrycznego i inne.

Przykłady metod pomiaru i obliczania przepływu

A.      Metody jednoparametrowe

a)      Pomiar za pomocą podstawionego naczynia - Jest to najprostsza metoda polegająca na pomiarze ilości wody dopływającej do podstawionego wycechowanego naczynia. Znając objętość naczynia V i czas jego napełnienia t, określa się natężenie przepływu. Jest to metoda najdokładniejsza, lecz możliwość jej stosowania ogranicza się do cieków o bardzo małym przepływie.

b)      Pomiar za pomocą przelewów - Metoda wymaga zainstalowania w przekroju pomiarowym przelewu, którego kształt jest zależny od amplitudy zmian przepływu. Przepływ obliczamy ze wzorów, mierząc wysokość warstwy przelewającej się wody h w odległości co najmniej  3h od przelewu z uwagi na krzywiznę zwierciadła wody nad przelewem.

Najczęściej stosowanymi przelewami są:

- przelew Ponceleta

- przelew Thomsona

c)       Metoda kolorymetryczna - znajduje ona zastosowanie dla małych potoków górskich charakteryzujących się dużą burzliwością ruchu. Polega ona na wprowadzeniu do wody płynącej korytem potoku roztworu znacznika (barwnika) o znanym stężeniu. W przekroju kontrolnym pobiera się próbki wody zabarwione znacznikiem, których stężenie mierzy się przyrządem zwanym kolorymetrem zaopatrzonym w fotokomórkę.

B.      Metody wieloparametrowe

Metody punktowe

Przekrój wybrany do pomiaru nazywamy przekrojem hydrometrycznym. Powinien on być regularny, położony na prostym odcinku rzeki i wytyczony prostopadle do kierunku ruchu wody. Pomiar przepływu składa się z dwóch części: sondowania głębokości i pomiaru prędkości. Aby dokonać sondowania przekroju należy nad zwierciadłem wody rozciągnąć wyskalowaną linę pomiarową lub taśmę.

Zależność prędkości przepływu od głębokości - tachoida

Obliczenie objętości przepływu na podstawie wyników punktowych pomiarów prędkości:

- metoda rachunkowa

- metoda Harlachera

- metoda Culmanna

Metoda odcinkowa

Odcinkowe pomiary przepływu polegają na pomiarze prędkości na wybranym odcinku cieku za  pomocą pływaków. Do płynącej wody wrzuca się przedmioty nietonące, które poruszają się z prędkością powierzchniową. Pływakiem może być krążek drewniany, butelka częściowo napełniona wodą itp.

Mnożąc obliczoną prędkość średnią przez pole  środkowego przekroju poprzecznego koryta F (m2) otrzymujemy wartość przepływu  średniego Q.

Metoda obliczania przepływu na podstawie pomiaru spadku podłużnego zwierciadła wody

3.       Krzywa natężenia przepływu.

Krzywa natężenia przepływu jest graficznym obrazem poniższego związku:

Q=f(H,m)

gdzie: Q – przepływ

            H - stan wody (wysokość napełnienia)

            m - zmienna charakteryzująca wpływ zmian w profilu podłużnym zwierciadła wody.

Wykres krzywej konsumpcyjnej w prostokątnym układzie współrzędnych powstaje przez odłożenie na osi poziomej wartości natężenia przepływu Q, a na osi pionowej odpowiadających im stanów wody H (lub napełnienia przekroju, czy też rzędnych zwierciadła wody).

...