HYDROLOGIA

• nauka o wodzie,

• badanie hydrosfery, czyli przestrzeni na Ziemi, w której występuje woda,

• odnosi się do procesów w atmosferze, na powierzchni Ziemi oraz w litosferze.

Podział hydrologii wg Dąbrowskiego: (podział według trzech kryteriów)

1. tematyki badań

2. środowiska, w którym występuje woda

3. metodyki badań

Działy hydrologii ze względu na tematykę:

• hydrologia właściwa - występowanie i krążenie wody w hydrosferze

• hydrofizyka z hydromechaniką - fizyczna strona zjawisk wodnych

• hydrobiologia - życie w środowisku wodnym

• hydrochemia - chemiczne właściwości i przemiany wody

dodatkowe działy:

• hydrologia dynamiczna - procesów (zależnych od funkcji czasu)

• hydrologia regionalna - porównawcze badanie procesów hydrologicznych w różnych regionach

• hydrologia stosowana - praktyczne zastosowanie wyników badań dla celów wodnogospodarczych, w tym prognoz hydrologicznych

Działy hydrologii według środowiska:

• hydrometeorologia (woda w atmosferze)

• potamologia (wody płynące w rzekach)

• limnologia (jeziora i zbiorniki śródlądowe)

• oceanologia (morza i oceany)

• agrohydrologia (woda w glebie, w strefie aeracji)

• hydrogeologia (wody podziemne, w strefie saturacji)

• glacjologia (woda w lodowcach)

• geohydrologia (hydrologia globalna - Ziemia jako całość)

dodatkowe działy:

• paludologia - woda w bagnach

• krenologia - nauka o źródłach

• kriologia - hydrologia lodu

• pedohydrologia - hydrologia gleb

Podział według metodyki:

• hydrometria - obserwacja i pomiary

• hydrografia - opis zjawisk poznanych w wyniku obserwacji i pomiarów

• hydronomia - procesy zachodzące w hydrosferze

Przyczyny krążenia wody:

- energia cieplna Słońca

- przyciąganie ziemskie (grawitacja ziemska)

- przyciąganie Słońca i księżyca

- ciśnienie atmosferyczne i jego zmiany (Bangladesz - powodzie spowodowane na styku wyżu i niżu, duża różnica ciśnień, duży wiatr)

- siły międzycząsteczkowe w gruncie (przemieszczanie się wody pod ziemią, materiały hydrofobowe-np.wosk, woda nie zwilża tego materiału, cząsteczki odpychają się, materiały hydrofilowe-cząsteczki przyciągają się wzajemnie i są ciężko przemieszczane)

- reakcje chemiczne i nuklearne

- procesy biologiczne

- działania człowieka

Cykl hydrologiczny:

Krążenie wody przebiega w procesie zamkniętym.

Wyróżnia się dwa obiegi:

• mały

• duży

Duży obieg:

• faza atmosferyczna

• parowanie z mórz i oceanów (początek)

• przenoszenie pary wodnej nad kontynent

• kondensacja pary wodnej w atmosferze

• opadanie wody na powierzchnie kontynentu (koniec)

• faza kontynentalna / główne procesy

• osiągnięcie powierzchni tereny przez wodę (początek)

• wsiąkanie w podłoże (infiltracja)

• spływ wody po powierzchni tereny (formowanie cieków, odpływ w kierunku odbiorników - ostatecznie do mórz i oceanów)

• spływ podziemny wody

• wypływ wody na powierzchnie (źródła i inne formy wypływu, w tym wprost do rzek, jezior, mórz lub oceanów)

Czas trwania szacowany na 2500 lat.

Mały obieg:

• lokalna wymiana wody między atmosferą i wodami powierzchniowymi

• woda parujące z mórz i oceanów lub z kontynentów może powracać na powierzchnie obszarów z których wyparowała

dwa obiegi małe:

• oceaniczny

• kontynentalny

Czas trwania wielokrotnie krótszy.

Ilość wody w przyrodzie
	Km^3	%
ogółem	1385,985 mln	100
morza i oceany	1338 mln	96,5
lodowce	24,06 mln	1,7
wody podziemne	23,7 mln	1,7
jeziora	176,4 tys	0,013
atmosfera	12,9 tys	0,002
mokradła	11,47 tys	0,0008
- rzeki	2,12 tys.	0,0002
biosfera	1,12 tys	0,0001

Rola wody w przyrodzie:

• znaczenie dla biosfery

- życie na Ziemi powstało w środowisku wodnym,

• jest składnikiem organizmów żywych

• jest niezbędna do przemiany materii

• jest rozpuszczalnikiem i środowiskiem transportu substancji ustrojowych

• reguluje temperaturę organizmów

• uczestniczy w kształtowaniu gleb

• znaczenie dla klimatu Ziemi

• wysokie ciepło właściwe oraz ciepło przemian fazowych czyni wodę wydajnym akumulatorem ciepła

• jest podstawowym czynnikiem w dystrybucji ciepła w skali globalnej

• woda atmosferyczna wpływa na wielkość promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi (absorpcja i emisja promieniowania)

• wpływa na wielkość albedo powierzchni terenu

• znaczenie dla procesów wietrzenia

• główny rozpuszczalnik w środowisku naturalnym

• transferuje substancje rozpuszczone, w tym będące reagentami

• ważny czynnik wietrzenia fizycznego (zamarzanie, odmarzanie, wysychanie, krystalizacja i rekrystalizacja substancji)

• znaczenie w procesach erozyjno - denudacyjnych

• ważny czynnik erozji (wody płynące, falowanie)

• ważny czynnik transportu materii (zawiesiny)

• w stanie stałym także dokonuje pracy erozyjnej i transportowej (lodowce, lądolody)

• znaczenie w procesach sedymentacyjnych

• fizyczne procesy depozycji osadów

• chemiczne procesy depozycji osadów

• przemiany osadu w środowisku wodnym

• hydrauliczne sortowanie materiału podczas jego transportu i depozycji

Gospodarcze znaczenie wody

• dla celów komunalnych

• wykorzystywanie dla produkcji i pozyskiwania żywności

• dla celów przemysłowych i energetycznych

• dla transportu wodnego

• rekreacyjne wykorzystywanie wody i obiektów wodnych

• lecznicze wykorzystywanie wody

• środowisko wodne jako odbiornik ścieków

• wykorzystywanie w rekultywacji i kształtowaniu krajobrazu

Kulturowe znaczenie wody

• każda cywilizacja jest silnie uzależniona od wody

• woda i obiekty wodne stanowią ważną część krajobrazu kulturowego

• ważny temat w sztuce

• mają znaczenie w obronności

WODY PODZIEMNE

Pochodzenie:

• infiltracyjne ( opadowe)

• kondensacyjne (skraplanie pary wodnej na powierzchni lub pod powierzchnią ziemi)

• juwenilne (uwalniane w wyniku stygnięcia magmy)

• reliktowe (położone bardzo głęboko, nie uczestniczące w obiegu globalnym wody)

• metamorficzne (powstałe wskutek termicznych przemian minerałów, głównie uwodnionych krzemianów - materiały ilaste)

Strefowość pionowa:

• strefa aeracji - strefa napowietrzona, występuje powyżej zwierciadła wód podziemnych

• strefa saturacji - strefa zawodniona, występuje poniżej zwierciadła wód podziemnych

Woda w strefie aeracji:

• para wodna - występuje w powietrzu glebowym, przemieszcza się w wyniku zmian ciśnienia, temperatury i wilgotności oraz w wyniku oddziaływania dyfuzji

• woda związana chemicznie (krystalizacyjna) - jest składnikiem niektórych minerałów

• woda związana fizycznie - przyciągana siłami molekularnymi i przylegająca do cząstek gleby, nie przemieszcza się pod wpływem grawitacji

Woda związana fizycznie:

• woda higroskopowa - adsorpcja pary wodnej na powierzchni cząstek gruntu, nie odpływa przemieszczać się może w postaci pary wodnej

• woda błonkowata - warstewki wody tworzące otoczki ziaren gruntu o większej odległości niż woda higroskopowa (do 0,5 mikrona) pojawia się po osiągnięciu stanu maksymalnej wilgotności higroskopowej, nie podlega ruchowi pod wpływem siły ciężkości, zwykle niedostępna dla roślin

Woda kapilarna:

Forma pośrednia pomiędzy wodą związaną fizycznie a wodą wolną

Występuje w drobnych porach i szczelinach w dwóch postaciach:

• bezpośrednio pod strefą saturacji (nad zwierciadłem wody wolnej) podsiąkająca ze strefy saturowanej

• jako woda kapilarna zawieszona - powstająca podczas wnikania wody opadowej do kapilar lub podczas szybkiego opadania zwierciadła wód wolnych i oderwania się ich od strefy wzniosu kapilarnego, może przemieszczać się bardzo szybko.

Cechy wód kapilarnych:

• mogą przemieszczać się we wszystkich kierunkach od stref silnie nawilgotnionych do mniej nawilgotnionych,

• cechują się znaczną ruchliwością,

• w dużej mierze decydują o dystrybucji wody w strefie aeracji, zwłaszcza pod wpływem opadów i transpiracji roślin,

• rozpuszczają i transportują sole oraz drobne zawiesiny.

Woda wolna (grawitacyjna):

• występuje zarówno w strefie aeracji i saturacji

• podlega przemieszczaniu w strefie aeracji ku zwierciadłu wód podziemnych pod wpływem sił grawitacji (infiltracja, wsiąkanie)

• wypełnia przestrzenie nad kapilarne

• może występować w formie zawieszonej - nad nieciągłościami , wkładkami skał słabo przepuszczalnych

Woda wolna w strefie saturacji:

• może przemieszczać się gdy spełnione są warunki

• skała ma możliwość przewodzenia wody

• istnieje strefa zasilania

• istnieje możliwość oddawania wody z ośrodka wodonośnego

• zalega w utworach wodonośnych pomiędzy zwierciadłem wody podziemnej a leżącą niżej warstwą utworów nieprzepuszczalnych

• może formować wielopiętrowe układy poziomów wodonośnych

• może występować w strefach wodonośnych podłoża, jeżeli nie cechuje się ono uwarstwowieniem

Ruch wody w strefie saturacji:

• nazywany jest filtracją, ruch ten zachodzi pod wpływem różnicy ciśnień hydrostatycznych

• niekiedy część wód w strefie saturacji jest bez ruchu

• ruch wody zachodzi przez następujące strefy: zasilania, spływu oraz drenażu

Strefy poziome ruchów wody:

• strefa zasilania - obszar wychodni warstwy wodonośnej na powierzchnie terenu, gdzie może następować infiltracja wód opadowych lub powierzchniowych

• strefa spływu - pośrednia pomiędzy strefą zasilania oraz drenażu, dominuje tu poziomy ruch wody bez zmian ilościowych

• strefa drenażu - część warstwy wodonośnej, gdzie następuje odpływ wód podziemnych do odbiorników powierzchniowych (źródła, mokradła, rzeki, jeziora, morza) lub do głębszych poziomów wodonośnych

Zwierciadło wody podziemnej:

Wyróżniamy dwa podstawowe typy zwierciadła wód podziemnych:

• zwierciadło swobodne - podlegające wahaniom położenia, występuje nad nimi część aerowana warstwy wodonośnej, a powierzchnia tereny nad nią stanowi strefę zasilania wód powierzchniowych

• zwierciadło napięte - jego położenie jest wymuszone występowaniem warstwy nieprzepuszczalnej nad warstwą wodonośną , strefa zasilania leży w pewnej odległości poziomej

Ciągłość zwierciadła swobodnego

• w utworach przepuszczalnych o przewodnictwie porowym zwierciadło uważamy za ciągłe

• w utworach przepuszczalności szczelinowej zwierciadło jest nieciągłe i ogranicza się tylko do szczelin wypełnionych wodą

Zwierciadło piezometryczne:

• dotyczy stref niezawodnionych leżących ponad zwierciadłem napiętym

• ma charakter potencjalny - w szczególności ujawnia się w studniach przebijających warstwę nieprzepuszczalną leżąca nad ośrodkiem zawodnionym

• wykazuje obniżenie w kierunku ruchu wody w strefie spływu w ośrodku wodonośnym

Przedstawienie obrazu zwierciadła:

• hydroizohipsy - linie łączące punkty o jednakowych wysokościach zwierciadła nad poziomem morza

• hydroizobaty - linie łączące punkty o jednakowej głębokości zwierciadła swobodnego poniżej powierzchni terenu

• hydroizopiezy - linie łączące punkty o jednakowej wysokości ciśnienia piezometrycznego, co oznacza potencjalne położenie zwierciadła po przebiciu nieprzepuszczalnej warstwy napinającej

Zasilanie rzek przez wody podziemne

Wyróżniamy dwa typy wód w relacji do zasilania wód powierzchniowych:

• wody potamiczne - uczestniczące w zasilaniu odpływu

• wody apotamiczne

Rodzaje wód podziemnych (ze względu na głębokość występowania):

• wody przypowierzchniowe

• wody gruntowe

• wody wgłębne

• wody głębinowe

Wody przypowierzchniowe:

• hipodermiczne (podskórne)

• występują do głębokości do 1 metra

• strefa aeracji - szczątkowa

• znaczne parowanie z powierzchni zwilżonej

• tworzą mokradła

• silnie zanieczyszczone

• odpływ niewielki

Wody gruntowe:

• wody o zwierciadle swobodnym z wyraźnie zaznaczoną strefą aeracji

• głębokość od 1 do kilkunastu metrów, naśladuje rzeźbę terenu

• w Polsce w utworach czwartorzędowych - polodowcowych i rzecznych

• jakość jest zróżnicowana (zanieczyszczenia z powierzchni terenu)

Wody wgłębne:

• Wody wgłębne subartezyjskie:

• są to wody wgłębne, których zwierciadło piezometryczne nie osiąga powierzchni terenu

• ujawniają się w studniach przebijających warstwę nieprzepuszczalną nad ośrodkiem zawodnionym - woda wtedy podnosi się ale się z niej nie wyleje

• Wody wgłębne artezyjskie:

• są to wody, których zwierciadło piezometryczne osiąga wysokość powyżej powierzchni terenu

• ujawniają się w studniach przebijających warstwę nieprzepuszczalną nad ośrodkiem zawodnionym - woda wtedy podnosi się i wylewa ze studni, o ile brak jest stosownych zabezpieczeń

Wody głębinowe:

• występują bardzo głęboko pod powierzchnią tereny

• są całkowicie odizolowane warstwą nieprzepuszczalną

• są wśród nich także wody reliktowe, nie uczestniczące w krążeniu

• są silnie zmineralizowane, czasami są to cieplice

Wody krasowe:

• występują w ośrodkach skalnych cechujących się wtórną szczelinowatością typu krasowego, powstałą wskutek rozpuszczania skał na drogach krążenia wody

• krasowy ośrodek wodonośny cechuje się często wysokim udziałem arterialnego przewodnictwa wody

• często występuje zasilanie drenażem wód powierzchniowych przez skrasowiałe podłoże (ponory - drenaż punktowy)

• częste występowanie źródeł krasowych - wywierzyska lub wypływy krasowe

• cechują się zwykle wielką wrażliwością na zanieczyszczenia

• krasowe ośrodki wodonośne są bardzo często zasobne w wodę

• wody krasowe mogą występować na bardzo dużych głębokościach (stwierdzane w kopalniach)

• częste występowanie dużych kawern wypełnionych wodą

• wahania zwierciadła mogą osiągnąć wielkie rozmiary, zwłaszcza w krasie terenów górskich

Wody powierzchniowe

Elementy hydrografii wód powierzchniowych

• obiekty punktowe

• obiekty liniowe

• obiekty obszarowe

Obiekty punktowe:

Źródła - skoncentrowany wypływ wody podziemnej na powierzchnie terenu. Pojawiają się w miejscach przecięcia przez powierzchnie terenu warstwy wodonośnej lub strefy uszczelinionej.

Typy źródeł:

• spływowe (descenzyjne, grawitacyjne, zstępujące) - woda wypływa z góry w dół pod działaniem grawitacji

• podpływowe (ascenzyjne, wstępujące, artezyjskie) - woda wypływa pod działaniem ciśnienia hydrostatycznego

• lewarowe (intermitujące, syfonowe) - woda wypływa okresowo z systemu lewarowego pod wpływem siły ssącej

Rodzaje źródeł ze względu na warunki krążenia:

• warstwowe - związane z utworami porowymi, w miejscu nacięcia warstwy wodonośnej przez powierzchnie terenu

• szczelinowe - wypływ wód podziemnych krążących w szczelinach skał litych

• uskokowe - wypływ wody podziemnej w strefie uskoku tektonicznego

• krasowe - wypływ wody podziemnej z utworów podlegających krasowieniu

Źródła warstwowe:

• warstwowo - erozyjne - gdy powierzchnia topograficzna przecina granice warstw przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych

• warstwowo - kontaktowe - gdy granica warstw jest pochylona w kierunku przeciwnym do kierunku spływu wody podziemnej

• warstwowo - zaporowe - gdy następuje nagłe zmniejszenie przepuszczalności utworów warstwy wodonośnej lub zmniejszenie jej miąższości

Źródła w relacji do rzeźby terenu:

• zboczowe (zbocza dolin)

• krawędziowe (u podnóża krawędzi morfologicznych, np. klifowe)

• terasowe (tarasowe - u podnóża teras rzecznych)

• grzbietowe

Źródła ze względu na piętrzenie wody:

Wody podziemne mogą być piętrzone wskutek panujących warunków.

• zaporowe

• przelewowe

Wpływ litologii na podział źródeł:

Dzielone ze względu na litologie utworów przewodzących wodę:

• skalne - bezpośrednio z litych skał

• rumoszowe - ze zwietrzelin grubookruchowych

• zwietrzelinowe - ze zwietrzelin o drobniejszych frakcjach granulometrycznych

• morenowe - z utworów morenowych

• osuwiskowe - pojawiają się u czoła osuwiska, ale zasilane są z warstw ponad nim

• deluwialne - jako efekt drenażu utworów deluwialnych

Podział źródeł ze względu na cechy fizyczno - chemiczne:

• temperatura wody:

• zimne - temperatura wody niższa niż średnia roczna dla całego terenu

• zwykła

• cieplicze - temperatura wody wyższa niż średnia roczna dla całego terenu

• mineralizacja wody:

• słodkie - (do 1g/dm3 substancji rozpuszczonych) w tym o podwyższonej mineralizacji - akratopegi (do 0,5g/dm3 substancji rozpuszczonej)

• mineralne - (powyżej 1g/dm3 substancji rozpuszczonych)

Inne rodzaje źródeł:

- gejzery - wyrzut gorącej wody lub pary wodnej, zasilany głównie atmosferycznie

- źródła gazujące (pieniawy) - zawierające głównie dwutlenek węgla, rzadziej metan

Nieskoncentrowane wypływy wody podziemnej:

• młaki - rozlewne wypływy wody podziemnej, często zatorfione, zwykle z odpływem

• wyciek - słaby, nieskoncentrowany wypływ wody podziemnej (powierzchniowy lub liniowy) z odsłoniętej warstwy wodonośnej (zbocza dolin, koryta rzek, na stokach górskich)

• wysięk - lokalne nawilocenie powierzchni terenu wodą podziemną, wysięk bywa zwykle bilansowany stratami na parowanie (ewaporacyjny lub częściej ewapotranspiracyjny) lub na infiltracje (infilteacyjny) albo oba procesy włącznie (ewaporacyjno - infiltracyjny)

Cieki naturalne:

- struga, strumień, strumyk - małe cieki na terenach równinnych o niewielkim obszarze zasilania (do kilkudziesięciu km2)

- potok - ciek o wartkim nurcie, zwykle o charakterze górskim

- rzeka - ciek naturalny powstały z połączenia strug lub potoków lub wypływających z czoła lodowca, z jeziora lub z wyjątkowo wydajnego źródła (wywierzyska)

Stany wody:

• stan wody rzeki jest wzniesieniem zwierciadła wody w danym profilu poprzecznym ponad przyjęty umownie poziom odniesienia

• pomiary stanu wody dokonywane są przy pomocy wodowskazów

• miejsce pomiaru nazywa się posterunkiem wodowskazowym

• punkt w którym dokonywany jest pomiar wodowskazowy nazywa się profilem wodowskazowym

Wodowskazy:

- najstarsze funkcjonowały w starożytnym Egipcie i nazywane są milomierzami

- w Europie pierwsze wodowskazy były inspirowane na początku XVIII: na Newie w Petersburgu (1715 r.), na Odrze we Wrocławiu (1717 r.), na Łabie w Magdeburgu (1727 r.), na Sekwanie w Paryżu (1731 r.)

- pierwsze wodowskazy w Polsce założono na Wiśle w Toruniu (1740 r.) oraz w Warszawie i w Montawskim Narożniku koło Tczewa (1799 r.)

- w 1918 r. na terenie niepodległej Polski istniało już 306 wodowskazów

- w 1999 r. na terenie Polski istniało 810 wodowskazów obsługiwanych w ramach sieci IMGW

Warunki lokalizacji profilów wodowskazowych:

• koryto rzeki powinno w miarę możliwości prowadzić cały przepływ

• zwierciadło wody nie powinno być pod wpływem piętrzenia i depresji

• dno rzeki nie powinno ulegać istotnym zmianom (erozja i akumulacja)

• powinny istnieć dobre warunki techniczne do założenia i funkcjonowania wodowskazu

• profil powinien leżeć w pobliżu miejsca zamieszkania obserwatora, powinna być możliwość dojazdu obsługi technicznej

• wodowskaz powinien być łatwo dostępny dla obserwatora - przy każdym stanie wody i o każdej porze

Rodzaje wodowskazów:

• wodowskazy łatowe - najczęściej stosowane, wyposażone w łatę wodowskazową z podziałką na specjalnej tablicy

• wodowskazy schodkowe - szereg segmentów łat wodowskazowych instalowanych na schodkach przy brzegu rzeki

• wodowskazy palowe - szereg pali w przekroju poprzecznym rzeki, poziom wody mierzy się przenośną miarką lub łatą ponad palem zanurzonym w wodzie

• wodowskazy grupowe - kilka łat w profilu od brzegu rzeki, poprzez strefę nadrzeczną ze wspólnym zerem wodowskazowym

• wodowskazy pływakowe - służą do obserwacji terminowych:

• zwykłe - wyposażone są w powieszony pływak, pomiar od znaku na lince odczytywany do podziałki obok lub bezpośrednio z podziałki na lince pływaka. Czasami pływak jest podwieszony do urządzenia zegarowego taśmy lub licznika cyfrowego.

• specjalne - np. różnicowe, służące do jednoczesnego pomiaru poziomu wody powyżej i poniżej budowli piętrzącej

• wodowskazy samopiszące (limnigrafy) - wodowskazy limnigraficzne służą do obserwacji ciągłych. Stosuje się limnigrafy (samopisy) analogowe lub cyfrowe, w tym z przekazem automatycznym. Limnigrafy służące do pomiaru poziomu morza nazywane są mareografami

Poziomy morza - Kronsztad - Rosja k. Petersburga

Amsterdam - Niemcy

Triest - Austria

Rodzaje limnigrafów:

• rurowy - (wolnostojący lub brzegowy) stosowany na mniejszych rzekach

• z ujęciem poziomym - najczęściej stosowany. Studzienka lub rura pływakowa jest połączona z rzeką poziomą rurą, zakończona kolankiem skierowanym w dół koryta rzeki

• lewarowy - woda do studzienki pływakowej dostaje się przez lewar

• stosowane są także do pomiaru poziomu wody w jeziorach oraz poziomu wód podziemnych

• podstawową formą zapisu jest wykres analogowy na taśmie papierowej lub zapis cyfrowy w urządzeniu elektronicznym

• perforujące - rejestrujące stan wody co określony czas poprzez perforowanie taśmy rejestracyjnej

• ciśnieniowe - pneumatyczne, manometryczne

• nadażne - z czujnikami zawieszonymi na lince przewodzącej prąd z dwiema elektrodami czujnikowymi

• telelimnigrafy - z urządzeniami przekazującymi wynik pomiaru na odległość (różne rozwiązania techniczne)

Inne typy wodowskazów:

• wodowskaz maksymalny - stosowany na ciekach o nagłych i krótkotrwałych wezbraniach. Stosowane 3 podstawowe rozwiązania techniczne: wodowskaz skrzyniowy, łata z zębatką, wodowskaz pływakowy z zapadką na kółku zębatym

• wodowskaz precyzyjny - umożliwiający pomiar z dokładnością 0,1 - 0,08

Posterunki wodowskazowe:

- posterunki badawcze - zakładane przez służbę hydrologiczną lub instytucje naukowo - badawcze do celów badań hydrologicznych:

• posterunki podstawowe - powszechnie stosowane na terenie kraju dla ogólnego rozpoznania warunków hydrologicznych

• posterunki specjalne - (okresowe - kilka do kilkunastu lat) lokalizuje się je zwykle w miejscach planowanej budowy obiektów gospodarki wodnej

- posterunki eksploatacyjne - zakładane przez różne firmy przy obiektach gospodarki wodnej

Obserwacje wodowskazowe:

• obserwacje terminowe:

• zwyczajne - wykonywane raz na dobę, zwykle o godz. 7.00, w profilach będących pod wpływem obiektów gospodarki wodnej wykonuje się obserwacje 3 razy na dobę (7.00, 13.00, 19.00 w czasie zimowym lub 6.00, 12.00, 18.00 w czasie letnim)

• nadzwyczajne - wykonywane w okresie wezbrań (nawet co godzinę), przyjmuje się ogólną zasadę, że wykonuje się je gdy opad w ciągu 8 godzin przekroczy 10 mm lub stan wody podniesie się w tym czasie o 50 cm

• obserwacje ciągłe - dokonywane przy użyciu samopisów (limnigrafy, mareografy)

Obserwator wykonuje raz dziennie o godz.7.00 pomiar na łacie kontrolnej z dokładnością do 1 cm, z uwzględnieniem falowania. Podczas pomiaru kontrolnego wykonuje się znak kontrolny na pasku limnigrafu.

Obserwacje zjawisk lodowych:

Wyróżniany 7 podstawowych form zjawisk lodowych:

• śryż - krążki lodu gąbczastego

• lepa - gęsta masa powstała z opadu śniegu spadłego na ochłodzoną wodę

• lód brzegowy (częściowe zlodzenie) - pokrywa lodowa tworząca się przy brzegach rzeki

• pokrywa lodowa - lód na całej szerokości rzeki

• ruszanie kodu - pękanie pokrywy lodowej

• kra

• zator - zwały kry (zator lodowy) lub śryżu (zator śryżowy) spiętrzające wodę z rzece

Inne obserwacje profilowe:

• określanie stopnia pokrycia profilu lodem, jako stosunku szerokości rzeki ze śryżem, lodem brzegowym lub krą do całkowitej szerokości rzeki

• pomiary grubości pokrywy lodowej - co 5 dni w przeręblach na środku rzeki, wykonywane przyrządem zwanym korą

• obserwacje stopnia zarastania koryta roślinnością (zwykle na odcinku 100-500 m), raz w tygodniu, a na wiosnę (intensywny wzrost roślin) co drugi tydzień

• odnotowywanie dat wykaszania roślinności i pogłębiania koryta rzeki przez służby melioracyjne

Stany charakterystyczne:

• stany główne I stopnia:

• stany skrajne: WW (najwyższe w danym okresie)

NW (najniższe w danym okresie)

• stany średnie: SW (stan średni w danym okresie)

ZW (stan zwyczajny, zwany środkowym - w połowie przypadków przekroczony, a w połowie nieosiągnięty)

• stany główne II stopnia (wyznaczane dla wielolecia)

W każdym zbiorze stanów max, średnich, zwyczajnych i min. wyróżnia się wodę:

• najwyższą - W

• średnią - S

• zwyczajną - Z

• najniższą - N

Łącznie wyróżnia się 16 stanów głównych II stopnia:

• WWW - stan najwyższy w wieloleciu

• NNW - stan najniższy w wieloleciu

• SWW - średnia wartość stanów najwyższych w wieloleciu

• SNW - średnia wartość stanów najniższych w wieloleciu

• SSW - średni stan w wieloleciu

Częstość stanów wody

Def. Częstością stanów wody n nazywa się liczbę wystąpień w określonym czasie stanów wody o określonej wielkości lub w określonych przedziałach wysokości.

Wykresy sporządza się w formie histogramu słupkowego lub diagramu z linią łamaną

Częstotliwość stanów wody

Def. Częstotliwość występowania stanów wody n/N nazywa się liczbą określającą jaką część danego zbioru stanów złożona jest ze stanów o określonych wysokościach i zawartych w określonych przedziałach wysokości. Liczba ta wyrażona jest jako wartość bezwzględna lub procentowa.

Wykresy sporządza się w formie histogramy słupkowego lub diagramu z linią łamaną.

Stan modalny

Nazywany też stanem najdłużej trwającym (NTW)

Jest to stan o największej częstości lub częstotliwości

Stany okresowe

Def. Stan wody w określonej sumowanej częstości (częstotliwości), bądź czasie trwania wraz ze stanami wyższymi lub niższymi.

Dla częstości (częstotliwości) stosuje się oznaczenie Wp a dla czasu trwania WT

Jeżeli stan okresowy odnosi się do sumowania wraz ze stanami najniższymi, to dajemy dodatkowo kropkę u góry: W˚ (np. W˚215 lub W˚60%, gdzie 215 jest czasem trwania w ciągu roku w dniach)

Stany okresowe mają duże zastosowanie w projektach regulacji rzek i w melioracji.

Wykresy częstości (częstotliwości) stanów wody sporządza się w formie:

• krzywej rozkładu częstości (częstotliwości) stanów

• krzywej sumowanych częstości (częstotliwości) stanów

• wykresów czasów trwania stanów wody wraz ze stanami wyższymi i niższymi

Jeżeli operujemy stanami dobowymi wówczas sumowania częstości nazywa się czasem trwania stanów wody. Przez czas trwania stanów wody rozumie się ilość dni w danym okresie ze stanami równymi lub wyższymi od danego stanu okresowego, bądź od niego niższymi.

Podział obszarów zmienności stanów wody:

Obliczanie granic stref stanów wody:

Graniczny stan strefy wysokiej i średniej wyznacza się ze wzoru:

HgrWW/SW = 0,5*(NWW+WSW)

lub

HgrWW/SW =∑H/n dla H>SW gdzie n jest liczbą stanów wody wyższych od średniego

Graniczny stan strefy średniej i niskiej wyznacza się ze wzoru:

HgrSW/NW=0,5(NSW+WNW)

lub

HgrSW/NW=∑H/n gdzie n jest liczbą stanów wody niższych od średniego

Związki dwóch wodowskazów:

• równanie związku wodowskazów określa się ze zbioru stanów korespondujących z zastosowaniem diagramu korelacyjnego oraz metody najmniejszych kwadratów

• związek może mieć charakter prosty, złożony lub wielokrotnie złożony

• związek prosty określa się linią prostą, złożony linią z jednym załamaniem a wielokrotnie złożony linią wielokrotnie łamaną

• pętlowy związek wodowskazów - zwykle spowodowane wpływem wezbrań, z pętlą histerezy na diagramie

Związki wielu wodowskazów:

• dla związku trzech wodowskazów na tej samej rzece zwykle stosuje się różnego typu nomogramy

• dla większej ilości wodowskazów na rzece i jej dopływach stosuje się rozwiązanie równaniami korelacji wielokrotnej zwykle liniowymi

Zmiany związku wodowskazów:

- zmiany trwałe - przy zmianie kształtu koryta rzeki (obniżenie i podnoszenie dna, regulacja) lub jej strefy zalewowej (np. budowa obwałowań), a także przy zmianie zera wodowskazu

- zmiany nietrwałe - przy czasowych podpiętrzeniach stanów wody z przyczyn naturalnych (zatory lodowe, cofka odbiornika, silny wiatr) lub sztucznych

- zmiany sezonowe - w określonych sezonach roku (np. zarastanie koryta roślinnością)

Zastosowanie związku wodowskazów:

• korekta stanów wody błędnie odczytanych przez obserwatora

• uzupełnienie brakujących danych w ciągach obserwacyjnych, w tym wydłużenie ciągów obserwacyjnych

• kontrola zmian koryta rzeki i zmian położenia zera wodowskazu

• prognozowanie hydrologiczne

Pomiary natężenia przepływu:

• natężeniem przepływu (przepływem) nazywa się objętość wody przepływającej przez dany przekrój poprzeczny w jednostce czasu

• natężenie przepływu wyraża się w jednostkach objętości na jednostkę czasu: najczęściej m³/s, dm³/s

Bezpośrednie metody pomiaru przepływu:

• cechują się dużą dokładnością ale mogą być stosowane przy niewielkich natężeniach przepływu

• najczęściej stosowanymi metodami są:

1. metoda objętościowa (wolumetryczna)

2. metoda hydrauliczna

3. rozcieńczenie wskaźnika

4. metody elektroniczne

Ad. 1)

• należy do najdokładniejszych

• podstawą jest metoda podstawowego naczynia, którym może być odpowiednio duże naczynie (wiadro, miska)

• w metodzie tej mierzy się objętość uchwyconej do naczynia wody oraz czas

• odmianą tej metody jest korytko wywrotne pozwalające na rejestracje objętości przepływu licznikami

Ad.2)

• dwa różne schematy hydrauliczne: wpływ przez otwór w ścianie zbiornika, przepływ wody przez zwężenie przekroju poprzecznego

• wypływ wody przez otwór w ścianie zbiornika może następować przez otwór zatopiony lub częściowo zatopiony, przez przelew w formie zgeometryzowanej lub przez upust denny

• przy metodzie zwężenia przekroju poprzecznego stosuje się zwykle zwężkę Venturiego (pomiar różnicy ciśnień z zastosowaniem równań) lub korytko Porahalla (z przepływem swobodnym obliczonym równaniami wykładniczymi lub zastąpionym z zastosowaniem poprawek do równań wykładniczych)

Przelewy pomiarowe:

• bardzo często stosowane w pomiarach. Są to przegrody spiętrzające wodę w korycie, wyposażone w zgeometryzowane wycięcie przez które woda się przelewa

• prawidłowy przepływ powinien spełniać warunki: ściana powinna mieć ostre krawędzie, powinien byś zatopiony (krawędź dolna powyżej wody dolnej), dopływ do przelewu powinien być spokojny, przelewająca się woda nie może spływać po ścianie przegrody

• w praktyce warunki te są niekiedy trudne do spełnienia

• pomiar: zmierzenie warstwy wody ponad dolną krawędzią przelewu. Obliczenie przepływu dokonuje się z nomogramu lub równaniem

• dzielą się na:

• stałe

• przenośne

• w przypadku przelewu stałego można dodatkowo sporządzić krzywą kalibrującą, zależność między warstwą wody na przelewie i natężeniem przepływu

• przelewy przenośne powinny być zaopatrzone w piezometry pomiarowe

• szacowane dokładności oszacowania przepływu 1-3%

• zakres pomiarów od poniżej litra do kilkuset litrów na sekundę

Metody pośrednie pomiaru przepływu:

• najczęściej opierają się na równaniu hydraulicznym Q=Vs*F

• zwykle pomiary prędkości ruchu wody wykonuje się punktowo w przekroju poprzecznym w różnych odległościach od dna. Najczęściej stosowanym przyrządem jest wtedy młynek hydrometryczny.

• w metodzie uproszczonej mierzy się powierzchniową prędkość ruchu wody (metoda pływakowa), redukowaną następnie do prędkości średniej w pianie

• aktualnie rozwijane są nowe metody pomiarowe, wykorzystujące echosondy, dalmierze mikrofalowe oraz komputery

Zależność między stanem wody i natężeniem przepływu:

W równaniu przepływu zmienną natężenia jest przepływ Q, a zmienną zależną jest stan wody H: H=f(Q). Jednak w praktyce wykorzystuje się zależność odwrotną Q=f(H).

Przepływ jest zależny także od innych czynników i ogólne równanie powinno mieć postać Q=f(H,i,F,m,χ), gdzie: H - stan wody

i - spadek zwierciadła wody [‰]

F - powierzchnia przekroju poprzecznego [m³]

m - współczynnik szorstkości koryta

χ - obwód zwilżony [m]

Krzywa konsumcyjna:

• jest to krzywa natężenia przepływu zwykle określana jako związek Q=f(H)

• krzywa konsumcyjna jest nazwą zwyczajową wywodzącą się z austryjackiego centralnego Biura Hydrograficznego

• w literaturze polskiej jest niekiedy określana innymi nazwami np. krzywa objętości lub krzywa K

• w celu skonstruowania krzywej konsumcyjnej należy wykonać serię synchronicznych pomiarów stanów wody oraz objętości przepływu - przy różnych stanach wody i przepływach

• wyniki przedstawiane są na wykresie typu xy

• dawniej do krzywej dołączano tabele wielkości odczytanej z krzywej np. co 1 cm zmiany stany wody

• w dzisiejszych czasach wyniki są przeliczane metodą najmniejszych kwadratów do postaci równania aproksymującego rozkład punktów na wykresie

• najczęściej dopasowanie równania następuje poprzez zastosowanie zależności wykładniczej a rzadziej - wielomianowej lub innej

• w przypadku zależności wykładniczej linearyzacja krzywej następuje po zlogarytmizowaniu obu zmiennych (Q, H) lub jednej z nich - wystarczy wówczas zastosować procedurę regresji liniowej

• w przypadku zależności liniowej wielomianowej stosuje się procedurę regresji wielokrotnej z podstawieniem za X1, X2, ...Xn kolejnych potęg zmiennej H

• w przypadku bardziej złożonych zależności stosować można procedury przekształceń zmiennych różnymi funkcjami, zwykle na podstawie porównania kształtu krzywej z krzywymi wzorcowymi (poradniki matematyczne). Można także stosować rozwiązania równaniami krzywej sklejanej (zazwyczaj wielomiany)

• dla koryt naturalnych krzywa zwykle obowiązuje w ograniczonym przedziale czasowym

• przedziały czasowe obowiązywania danej krzywej są ustalone na podstawie kontroli dopasowania kolejnych wyników pomiarów

• w przypadku istotnego odchylenia się kolejnych wyników od dotychczasowej aproksymacji należy przystąpić do sporządzenia nowej krzywej

• zwykle nową krzywą sporządzić trzeba gdy nastąpiła istotna zmiana geometrii koryta (erozja dna, akumulacja rumowiska korytowego, oddziaływanie człowieka)

• w rzadkich przypadkach stosuje się odrębne krzywe sezonowe: dla okresu zarastania koryta roślinnością lub dla okresu występowania zjawisk lodowych

• kształt krzywej jest zależny przede wszystkim od relacji pomiędzy przyrostem stanu wody i przyrostem powierzchni przekroju zwilżonego

• w większości przypadków w miarę wzrostu stanu wody zwiększa się tempo przyrostu przepływu - krzywa ma kształt wklęsły (dla Q zdefiniowanego na osi y)

• przyczyny takiego kształtu krzywej: szybki wzrost powierzchni przekroju zwilżonego (nieliniowy) oraz wzrost prędkości ruchu wody ze wzrostem stanu wody

• zazwyczaj nie udaje się uzyskać pomiaru dla stanu wezbrań maksymalnych i wtedy trzeba stosować ekstrapolowanie krzywej

• ekstrapolację najlepiej jest wykonywać na podstawie obliczonego równania krzywej metodami statystycznymi

• ekstrapolacji powinna towarzyszyć weryfikacja geometrii koryta w zasięgu stanów najwyższych

• stosowane są także graficzne metody ekstrapolacji lub metody oparte na wzorach hydraulicznych (najczęściej Chezy'ego lub Manninga, a ostatnio wzór Chey'ego zmodyfikowany przez Wielikanowa, zalecany przez niemiecką służbę hydrologiczną DVWK)

Odpływ - proces przemieszczania się cząstek wody pod wpływem grawitacji poza granice określonego obszaru.

Odpływ zasilany jest przez opady i osady atmosferyczne tworzące wodny przypływ atmosferyczny.

Etapy i fazy odpływu wód podziemnych:

1. Infiltracja - przenikanie w głąb, wchłanianie wody przez grunt do strefy aeracji. Cechuje ją przewaga składowej pionowej ruchu wody. Dzieli się na dwie fazy:

• wsiąkanie - woda nie wypełnia wszystkich przestrzeni w gruncie. Stopniowo zapełnia przestrzenie nadkapilarne, zwilża ziarna gruntu otoczkami wody błonkowatej, następnie przesiąka w przestrzenie kapilarne.

• Przesiąkanie

2. Filtracja - przewaga składowej poziomej, wtedy gdy przenikająca woda osiągnie poziom wodonośny. Charakterystyczne dla strefy saturacji. W tym procesie woda przemieszcza się zgodnie z nachyleniem zwierciadła wody podziemnej.

3. Drenowanie poziomu wodonośnego - rozpoczyna się odpływ powierzchniowy, drenowanie następuje przez cieki, może być bezpośrednie zasilanie do jeziora lub morza

Odpływ wód powierzchniowych:

• Spływ powierzchniowy- ruch wody po powierzchni terenu. Mechanizmy tworzenia:

1. ponad infiltracyjny - zwany także spływam hortonowskim (Horton) - spływ nienasycony. Powstaje gdy natężenie opadów przewyższy natężenie infiltracji (dostawa większa niż możliwości wchłaniania)

2. przed infiltracyjny - deszcz spada na glebę przesuszoną (bariera - zeskorupienie powierzchni gleby, wypieranie powietrza z przestrzeni międzyglebowych przez wodę)

3. podwyższonego zwierciadła wody podziemnej - powstaje gdy zwierciadło wody podziemnej osiągnie poziom powierzchni terenu (spływ nasycony)

Etapy tworzenia spływu powierzchniowego:

1. przezwyciężenie detencji powierzchniowych ziaren gruntu

Detencja powierzchniowych ziaren gruntu - część opadów deszczu konieczna do zwilżenia powierzchni gruntu, nie zalicza się tu retencji depresyjnej w obniżeniach terenu (kałuże)

2. powierzchniowy spływ laminarny (warstwy wody tworzą oddzielne warstwy i nie mieszają się)

3. powierzchniowy spływ rozproszony

4. koncentracja spływu - łączenie się poszczególnych strumyków

• Odpływ korytami cieków - suma spływu powierzchniowego i podziemnego. Wyróżnia się spływ podpowierzchniowy powstający na stokach nachylonych i warunkowanie w strefie aeracji pionowego zróżnicowania przepuszczalności. Spływ powierzchniowy i podpowierzchniowy decyduje o charakterystyce wezbrań, szczególnie wezbrań gwałtownych (warunki górskie lub przekształcone przez człowieka). Stanowią składową krótko retencjonowaną zasilania odpływu rzeki (szybkie i znaczne wahania przepływu). Składową długo retencjonowaną odpływu rzek jest odpływ podziemny w strefie saturacji.

Rozdział odpływu na powierzchniowy i podziemny (metoda)

Metoda ścięcia fali wezbraniowej (metoda Kicińskiego)

• narastanie wezbrania następuje szybciej

• opadanie wezbrania następuje wolniej

• hydrogram (wykres stanu wody) ma kształt asymetryczny

• czas koncentracji wezbrania - czas reakcji rzeki na opad do momentu kulminacji

• z krzywej recesji odpływu, czyli wysychania możemy odczytać czas opadania i wyznaczyć punkt przegięcia

• największe prędkości spływów są na powierzchniach antropogenicznych (dachy, drogi)

• metoda ścięcia fali wezbraniowej polega na przeprowadzeniu pod wykresem hydrogramu wezbrania cieku linii hydrogramowej wezbrania podziemnego. Metoda ta ma charakter przybliżony ale wystarczający dla oszacowań hydrograficznych.

Czynniki modyfikujące odpływ:

• klimatyczne

• bezpośrednie - opady i parowanie terenowe

• pośrednie - temperatura, wilgotność, prędkość wiatru, ciśnienie

• fizycznogeograficzne (fizjograficzne)

• wielkość i kształt zlewni - im większa zlewnia tym dłuższą drogę musi pokonać

• ukształtowanie terenu

• zróżnicowanie pionowe zlewni

• układ sieci rzecznej

• ekspozycja zlewni

• przepuszczalność glebowa - uwarunkowana geologicznie

• pokrycie terenu

• zatrzymanie opadu na częściach nadziemnych roślin - intercepcja (zwiększa parowanie)

• zużywanie dużych ilości wody na transpirację

• zmniejszenie parowania na powierzchni gruntu wskutek zakrycia jego powierzchni i zmniejszenie prędkości wiatru

• zwiększenie szorstkości gruntu - zmniejszenie szybkości spływu, zwiększenie infiltracji

• opóźnianie topnienia śniegu, zwiększenie infiltracji

• wpływ lasu

• wpływ na klimat - tworzenie klimatu lokalnego (mikroklimat), zwiększenie przychodów wody z osadów atmosferycznych

• wpływ na wielkość odpływu - zmniejszenie lub zwiększenie - skutek zwiększenia odpływu, wpływ na rozkład odpływu w czasie - zwiększenie odpływu podpowierzchniowego a zmniejszenie powierzchniowego

• wpływ jezior i bagien

• jeziora powodują wyrównanie charakterystyk odpływu - obniżają kulminacje i podwyższają (podkreślają) kulminacje niżówkowe

• zwiększenie strat na parowanie z wolnej powierzchni wodnej ale jest to zależne od kształtu misy jeziornej

• oddziaływanie bagien na odpływ nie jest jednoznaczne w warunkach klimatu umiarkowanego - nie zmniejszają odpływu ale jedynie wyrównują go jak jeziora, natomiast w klimacie suchym - zwiększają straty na parowanie

16

Hydrologia i oceanografia dr J. Bieroński

---