Hydrologia

• Podział nauk hydrologicznych

Hydrologia jest nauką przyrodniczą zajmującą się krążeniem wody w przyrodzie. Hydrologia zajmuje się hydrosferą. Do zakresu zainteresowań hydrologii należą:

• powierzchniowe wody płynące (rzeki, strumyki, potoki),

• powierzchniowe wody stojące (oceany, morza, jeziora),

• wody podziemne (gruntowe),

• wody czasowo zatrzymane w postaci stałej (pokrywa śnieżna, lodowce, pokrywa lodowa wód powierzchniowych).

Dyscypliną zbliżoną do pewnych działów hydrologii jest meteorologia.

Meteorologia zajmuje się wodą (parą wodną) znajdującą się w atmosferze.

Podział nauk hydrologicznych (ze względu na)

• Tematyka badań:

• hydrologia właściwa (występowanie i krążenie),

• hydrofizyka z hydromechaniką (fizyczne właściwości i przemiany),

• hydrobiologia (życie w środowisku wodnym),

• hydrochemię (chemiczne właściwości i przemiany).

• Przedmiot badań:

• hydrometeorologia (atmosfera),

• potamologia (wody płynące w rzekach na powierzchni),

• limnologia (jeziora i zbiorniki śródlądowe),

• oceanologia (morza i oceany),

• agrohydrologia (woda w glebach w strefie aeracji),

• hydrogeologia (wody podziemne w strefie saturacji),

• glacjologia (lodowce),

• geohydrologia (hydrologia globalna)

• Metodyka badań:

• hydrometria (technika i metody pomiarowe),

• hydrografia (opisywanie, obserwacje, pomiary),

• hydronomia(wyciąganie wniosków, ustalanie zależności).

• Ogólne krążenie wody w przyrodzie (obieg duży, mały)

Duży obieg wody w przyrodzie polega na tym, że woda z atmosfery w postaci opadu dostaje się na powierzchnię mórz i oceanów albo na powierzchnię lądów. Z powierzchni terenu woda częściowo wsiąka w grunt, częściowo spływa po powierzchni, a częściowo paruje. Ta część wody, która wsiąka w grunt, zasila także cieki wodne i spływa nimi do morza. Parowanie z powierzchni gruntu lub wód otwartych zasila w wodę atmosferę i w ten sposób obieg zostaje zamknięty.

Małe obiegi wody to zjawiska lokalne, obejmujące małe przestrzenie, a polegające na tym, że woda parująca z gruntu, roślin i wód otwartych w postaci np. opadającej mgły czy rosy, wraca znów na powierzchnię. Obiegi te mają istotne znaczenie lokalne, np. przy badaniu zmian wilgotności gleby do celów rolniczych, natomiast przy rozważaniach dotyczących ogólnych zasobów wód wpływ małych obiegów jest znikomy.

Krążenie wody to zjawisko poruszania się wody w przyrodzie. Energia cieplna i grawitacja powodują cykliczny ruch cząstek wody, na które jednocześnie działają siły poziome i pionowe. Cykl hydrologiczny jest procesem przebiegającym w obiegu zamkniętym o charakterze cyklicznym. W procesie tym wyróżnia się dwie fazy:

• atmosferyczną (woda pruje z powierzchni mórz i oceanów, para wodna przenoszona jest nad kontynenty, następuje kondensacja pary wodnej i opad pod wpływem grawitacji na kontynenty),

• kontynentalną (woda po opadzie spływa do mórz i oceanów powierzchnią kontynentalną).

Bilans wodny to zależność pomiędzy ilością wody, która paruje do ilości wody opadowej. Ilość wody krążącej w przyrodzie nie ulega zmianie.

Całkowita ilość wody słodkiej na Ziemi wynosi 0,5 mln km^3 (3% zasobów wodnych Ziemi, a tylko 1% jest dostępny do użytku).

Opad atmosferyczny to produkt kondensacji pary wodnej, który w postaci stałej lub ciekłej dociera do powierzchni gruntu.

Intercepcja to zatrzymanie opadu atmosferycznego na pokryciu terenu.

Retencja to chwilowe zatrzymanie wody opadowej.

Parowanie (ewaporacja) w strefie umiarkowanej na terenach pokrytych roślinnością w okresie wegetacji dominują dwa procesy:

• parowanie fizyczne (z powierzchni roślin i gleby),

• parowanie biologiczne (transpiracja).

Oba procesy łącznie noszą nazwę ewapotranspiracji.

• Schemat blokowy krążenia wody w cyklu lądowym

• Procesy hydrologiczne

• Definicja opadu normalnego rocznego, średniego rocznego

Opad normalny roczny to przeciętna wysokość opadu dla danego okresu, zależną wyłącznie od czynników stałych. Czynnikami stałymi są: położenie, odległość od oceanu, położenie względem pasm górskich. Do czynników zmiennych należą: różny stopień nasłonecznienia, przewaga wiatrów z różnych kierunków, zmienna temperatura powietrza.

Opad średni roczny to taka wysokość, która odpowiadałaby ilości wody spadłej w rzeczywistości w danym roku, lecz rozłożonej równomiernie na terenie. Średnią wartość obliczamy jako iloraz ilości wody dostarczonej w badanym roku przez opady na rozpatrywany obszar i pola tego obszaru. Znane są trzy metody obliczania średniej wysokości opadu: metoda izohiet, metoda wielokątów równego zadeszczenia i metoda regionów równomiernego zadeszczenia.

• Wyznaczanie opadu średniego obszarowego

Znane są trzy metody obliczania średniej wysokości opadu: metoda izohiet, metoda wielokątów równego zadeszczenia i metoda regionów równomiernego zadeszczenia. Pierwsza z nich jest stosowana na obszarach górskich i podgórskich, dwie pozostałe na obszarach nizinnych.

Metody obliczania średniej wysokości opadu

• Metoda izohiet

Obliczanie średniej wysokości opadu na danym obszarze polega na znalezieniu ilości wody, jaka spadła na dany obszar oraz powierzchni tego obszaru. Ilość wody, jaka spadła na określony obszar, znajdujemy jako sumę iloczynów pól zawartych pomiędzy poszczególnymi izohietami i średnich wysokości opadu w tych polach. Średnia wysokość opadu jest w tym wypadku równa średniej arytmetycznej wysokości opadu dwóch sąsiednich izohiet. Pole powierzchni obszaru obliczamy z mapy, jako sumę pól zawartych pomiędzy kolejnymi izohietami. Mając wszystkie powyższe dane, średnią wysokość opadu obliczamy wg wzoru:

P_i - średnia wysokość opadu pola ograniczonego dwiema kolejnymi izohietami,

A_i - pole powierzchni obszaru zawartego pomiędzy dwiema kolejnymi izohietami.

• Metoda wielokątów równego zadeszczenia

Do obliczenia średniej wysokości opadu potrzebna jest znajomość wysokości opadu na poszczególnych stacjach, znajdujących się na danym obszarze. Aby znaleźć ilość wody, jaka spadła na dany obszar, łączymy punkty, w których znajdują się poszczególne stacje opadowe, liniami prostymi, a następnie znajdujemy symetralne tych odcinków. Symetralne poprowadzone pomiędzy poszczególnymi stacjami tworzą wielokąty, dla których przyjmujemy wysokość opadu równą wysokości opadu na danej stacji i stąd uch nazwa - wielokąty równego zadeszczenia. Znając powierzchnie poszczególnych wielokątów A_i i mając pomierzone wysokości opadu na poszczególnych stacjach P_i znajdujemy ilość wody, jaka spadła na cały obszar, jako sumę iloczynów tych dwóch wielkości. Średnią wysokość opadu obliczamy wg wzoru:

Ten sposób obliczenia jest prostszy, nie może być jednak stosowany w obszarach górskich i podgórskich, gdzie występują duże różnice wysokości opadów na niewielkich odległościach.

• Metoda regionów równomiernego zadeszczenia

Zamiast wyodrębniania obszarów wokół poszczególnych stacji za pomocą symetralnych, posługujemy się w tej metodzie gotowymi regionami równomiernego zadeszczenia. Regiony zostały wyznaczone wokół niektórych stacji opadowych w liczbie 256 na terenie całego kraju. Regiony wyodrębniono, uwzględniając cech terenowe i opadowe danego obszaru. Sposób postępowania przy obliczaniu wysokości średniego opadu jest taki sam jak poprzednio.

• Zjawiska lodowe

Formy zjawisk lodowych

• śryż (lód gąbczasty) tworzący się w masie płynącej wody rzecznej, wypływający na powierzchnię i tworzący charakterystyczne krążki o pogrubionych brzegach o średnicy od 0,3 do 3,0 m,

• lepa to gęsta masa powstająca na powierzchni wody z opadów śniegu spadłego na ochłodzoną wodę rzki,

• częściowe zlodzenie to pokrywa lodowa tworząca się przy brzegach rzeki,

• pokrywa lodowa to powierzchnia lodowa pokrywająca rzekę na całej szerokości,

• ruszanie lodu to spękanie w pokrywie lodowej i początek spływu lodu,

• kra to spływająca rzeką popękana pokrywa lodowa,

• zator to zwały kry nagromadzone na odcinku rzeki, powodujące podnoszenie się stanu wody.

Oprócz określania formy zjawisk lodowych obserwator określa stopień pokrycia rzeki lodem oraz jeżeli występuje pokrywa lodowa, również grubości lodu. Stopień pokrycia rzeki lodem l określa się jako stosunek szerokości rzeki P, na której występują zjawiska lodowe taki jak: śryż, lód brzegowy, kra, do całkowitej szerokości rzeki B. Grubość pokrywy lodowej mierzy się w przeręblach wykonanych na środku rzeki. Pomiary wykonywane są co 5 dni specjalnym przyrządem zwanym kosą.

• Zlewnia (dorzecze), rodzaje, wyznaczanie przyrostu zlewni, przyrzecze

• Sieć hydrograficzna, podział dorzecza

• Dolina rzeczna, koryto rzeczne, charakterystyka w planie i przekroju

• Parametry fizjograficzne zlewni

Parametr to charakterystyka umożliwiająca opis stanu i działania systemu, tj. charakterystyka opisująca warunki fizjograficzne zlewni w postaci miar ilościowych.

Parametry fizjograficzne zlewni

• Kształt zlewni

• powierzchnia zlewni A określa poprzez pomiar na mapie obszaru ograniczonego topograficznym działem wodnym [km²],

• powierzchnia zlewni A (obszar górski) powierzchnia rzeczywista może znacznie różnić się od powierzchni rzutowanej na płaszczyznę poziomą, jaką stanowi mapa, należy wówczas zastosować poprawkę wg wzoru:

A - powierzchnia rzeczywista [km²],

A_m - powierzchnia rzutowana (określona z mapy) [km²],

α - średnie nachylenie zlewni [⁰].

• długość zlewni L [km] rozumiana najczęściej jako największa odległość w linii prostej między ujściem i najdalej oddalonym punktem na dziale wodnym,

• maksymalna długość zlewni L_m [km] czyli długość doliny rzeki głównej od ujścia do punktu na dziale wodnym w przedłużeniu odcinka źródłowego,

• średnia szerokość zlewni B [km] obliczana jako stosunek powierzchni zlewni do jej długości:

• Rzeźba obszaru zlewni

• wysokość maksymalna H_max [m n.p.m.] maksymalna rzędna terenu na obszarze zlewni,

• wysokość minimalna H_min [m n.p.m.] minimalna rzędna terenu na obszarze zlewni,

• deniwelacja terenu ΔH [m] różnica wysokości maksymalnej H_max i minimalnej H_min w zlewni,

• średnia wysokość zlewni H_śr [m] obliczana jako średnia arytmetyczna wysokości maksymalnej i minimalnej zlewni:

• wysokość środkowa (mediana) H_n [m n.p.m.] powyżej (lub poniżej) której położona jest połowa jej powierzchni, wartość środkową wyznacza się na podstawie krzywej hipsograficznej,

• średni spadek zlewni R

[%₀]

• Parametry cieku, topologia sieci rzecznej

Warunki hydrograficzne obszaru zlewni

• długość rzeki l [km, m] odległość od ujścia do źródeł rzeki,

• wskaźnik rozwinięcia rzeki r stosunek długości rzeki do długości linii prostej łączącej źródło z ujściem:

r - rozwinięcie rzeki [%],

l - długość rzeki [km],

d - długość linii prostej [km],

• spadek wyrównany rzeki i stosunek różnicy wysokości źródła i ujścia do długości rzeki

i_w - spadek wyrównany rzeki [%₀],

H_ż - wysokość źródła [m n.p.m.],

H_u - wysokość ujścia [m n.p.m.],

l - długość rzeki [km],

• spadek zwierciadła wody w rzece i stosunek różnicy rzędnych zwierciadła wody w dwóch punktach rzeki do odległości między tymi punktami:

i - spadek zwierciadła wody w rzece [%₀],

ΔH - różnica rzędnych zwierciadła wody dwóch punktó pomiarowych [m],

d - odległość między punktami pomiarowymi [km],

• gęstość sieci rzecznej D iloraz sumy długości wszystkich cieków w zlewni i powierzchni zlewni:

D - gęstość sieci rzecznej,

- łączna długość cieków w zlewni [km],

A - powierzchnia zlewni [km²],

• liczba cieków różnego rzędu określana na podstawie klasyfikacji cieków opracowanej przez Hortona i Strahlera, polegającej na przyporządkowaniu ciekom i odcinkom cieków liczby określającej ich rząd. Klasyfikacja opiera się na następujących założeniach: cieki I rzędu to odcinki źródłowe rzek, cieki II rzędu powstają z połączenia 2 cieków I rzędu, przy połączeniu cieków nierównych rzędów, ciek po połączeniu przyjmuje rząd cieku wyższego rzędu.

Użytkowanie terenu

• udział powierzchni leśnej w ogólnej powierzchni zlewni:

λ - udział powierzchni leśnej w zlewni [%₀],

A_l - powierzchnia lasu w dorzeczu [km²],

A - powierzchnia dorzecza [km²],

• wskaźnik rozwinięcia lesistości ε określa rozmieszczenie lasu w zlewni i przyrost powierzchni leśnej wraz z przyrostem zlewni:

ε - wskaźnik rozwinięcia lesistości,

F₁ - powierzchnia pod krzywą rozwinięcia lesistości,

F_n - pole prostokąta o podstawie równej wielkości zlewni oraz zalesieniu równym 100%.

• Stan wody, napełnienie koryta, głębokość

Stan wody to wzniesienie zwierciadła wody w cieku ponad pewnym poziomem przyjętym za zerowy. Stan wody jest jednakowy dla całego przekroju porzecznego cieku. Stany wody są podstawową charakterystyką hydrologiczną rzek i ich ustroju.

Napełnienie koryta

Głębokość wody to wzniesienie zwierciadła wody ponad dnem w danym punkcie przekroju poprzecznego cieku. Przy danym położeniu zwierciadła wody głębokości w przekroju poprzecznym cieku, wyjąwszy przekroje prostokątne, są zmienne.

• Wodowskazy, rodzaje (opis)

Wodowskaz to przyrząd do pomiaru stanów wody.

Rodzaje wodowskazów

• Wodowskazy łatowe:

• pojedyncze, pionowe i pochyłe,

• grupowe,

• złożone,

• palowe.

Istotnym elementem wodowskazu jest poziom zera podziałki wodowskazowej. W praktyce poziom zera przyjmuje się poniżej najniższego stanu wody lub z uwagi na erozję denną powodującą pogłębienie się dna rzek poniżej jego poziomu. W ten sposób unika się odczytów ujemnych, które wprowadzają chaos przy opracowaniu wyników obserwacji. W celu ułatwienia obliczeń unika się również odczytów czterocyfrowych.

• Wodowskazy pływakowe zwykłe:

• z odczytami bezpośrednimi,

• z odczytami przeniesionymi na łatę pionową lub poziomą.

• Wodowskazy pływakowe specjalne:

• różnicowe (umieszczone w jazach, podające od razu różnicę poziomów wody górnej i dolnej w skali 1:1),

• taśmowe (umożliwiające czytanie stanów wody z odległości kilkuset metrów w ten sposób, że odpowiednie numery odwijają się na taśmie widocznej z daleka),

• zegarowe (podające stan wody na tarczy zegara).

• Wodowskazy samopiszące rzeczne i jeziorne (limnigrafy) oraz morskie (mareografy).

• Wodowskazy dalekopiszące (telelimnigrafy).

• Wodowskazy maksymalne.

• Wodowskazy precyzyjne.

• Posterunki obserwacyjne, rodzaje

Posterunek wodowskazowy to miejsce prowadzenia obserwacji wodowskazowych.

Rodzaje posterunków wodowskazowych

• Posterunki badawcze to posterunki wodowskazowe zakładane przez służbę hydrologiczną lub też inne instytucje naukowo-badawcze do celów badań hydrologicznych na rzekach i jeziorach, dzielą się na:

• podstawowe (stanowiące niezbędną sieć do ogólnego rozeznania stosunków hydrologicznych na obszarze kraju),

• okresowe (rozmieszczane pomiędzy posterunkami podstawowymi, ich celem jest dostarczenie materiałów uzupełniających dane z sieci podstawowej, okres działania takich posterunków waha się od 5 do 15 lat, podczas gdy posterunki podstawowe zakładane są na czas nieograniczony.

• Posterunki robocze (eksploatacyjne) są zakładane na rzekach przez jednostki organizacyjne gospodarki wodnej (przedsiębiorstwa żeglugowe, energetyczne), a także zakładane przy budowlach wodnych, na kanałach sztucznych.

Schemat sieci wodowskazowej (1, 2, … to kolejność rejestrowania posterunków).

Części składowe posterunku wodowskazowego

• wodowskaz (właściwe urządzenia do pomiarów stanów wody),

• urządzenie konstrukcyjne, za pomocą którego wodowskaz jest ustawiany w rzece w wybranym profilu,

• punkty stałe (repery).

• Pomiary i obliczanie objętości przepływu, rodzaje, charakterystyka

• Krzywa konsumcyjna, wyznaczanie, równania, zmienność

• Krzywe wodowskazowe: histogram, diagram, suma częstości

• Przepływy (stany) charakterystyczne: główne stopnia I i II, metody ich obliczania

• Metody podziału stanów na strefy

• Retencja, definicja, rodzaje, sposoby wyznaczania (bez sposobów wyznaczania retencji podziemnej)

Retencja to zjawisko czasowego zatrzymania wody w zlewni rzecznej. Woda pochodząca z opadów lub roztopów szaty śnieżnej, znajdująca się na obszarze zlewni, zanim odpłynie lub wyparuje, pozostaje przez pewien czas na powierzchni terenu lub w gruncie. Na powierzchni terenu woda gromadzona jest w jeziorach i zbiornikach wodnych, wypełnia koryta i doliny rzek oraz pozostaje w zagłębieniach terenowych, kałużach, bruzdach śródpolnych. Z kolei znajdująca się na powierzchni terenu woda wsiąka w grunt, zasilając wody podziemne. Woda może stąd odpływać drogą podziemną, zasilać cieki powierzchniowe lub parować bezpośrednio z gruntu lub przez transpirację roślin.

Stan retencyjny zlewni R wyraża się w jednostkach objętości [m³] albo wysokości warstwy wody retencjonowanej [mm] analogicznie do wysokości warstwy opadu lub odpływu.

Vret - objętość wody retencjonowanej [m3]

A - powierzchnia zlewni [km 2]

Rodzaje retencji

• Powierzchniowa:

• śniegowa i lodowcowa

Ten rodzaj magazynowania wody na obszarze zlewni rzecznej ma miejsce w klimacie strefy umiarkowanej w okresie zimowym. Przy ujemnych temperaturach powietrza woda w postaci śniegu gromadzi się stopniowo na powierzchni terenu mniej lub bardziej równomierną warstwą. Zasoby retencji śniegowej określa się na podstawie pomiarów punktowych grubości szaty śnieżnej wykonywanych za pomocą przyrządów stałych lub przenośnych. Przyrządem stałym jest łata śniegowa, analogiczna do łaty wodowskazowej. Przyrządem przenośnym jest laska śniegowa, będąca prętem metalowym z podziałką centymetrową, pomiary muszą być wykonywane na większym obszarze w wielu punktach, ponieważ różnice grubości szaty śnieżnej są bardzo duże. Stosowane są w praktyce trzy metody pomiaru: trójkątów, poligonowa oraz patrolowa. Pomiary wykonuje się nie rzadziej niż co 20 dni w okresie przyrastania pokrywy śnieżnej i nie rzadziej niż co 5 dni w okresie jej zanikania. Na podstawie wyników pomiarów punktowych wykreśla się linie jednakowych grubości pokrywy śnieżnej (izohiony). Średnią grubość warstwy śniegu w zlewni oblicza się analogicznie jak przy obliczaniu opadu średniego w zlewni (metodą izohiet). Ilość wody zawartej w śniegu, zwaną zapasem wody w pokrywie śnieżnej h [mm] określa się ze wzoru:

h_s - grubość pokrywy śnieżnej [cm]

p_sn - gęstość śniegu [g/cm³­­]

p_w - gęstość wody [g/cm³­­]

• koryt i dolin rzecznych

W okresie wezbrań woda zapełnia koryto rzeki po brzegi bądź też występuje na teren doliny. Ilość wody mieszczącej się wówczas w dolinie rzek jest znaczna, tym większa, im dolina rzeki jest szersza. W celu oszacowania ilości wody mieszczącej się w korycie i dolinie rzecznej wykonuje się pomiary przekrojów poprzecznych doliny rzeki. Wyniki przedstawia się na wykresie zdolności retencyjnej rzeki. Pole powierzchni zawartej na wykresie pod krzywą przedstawia objętość wody zawartej w korycie i dolinie rzeki na danym odcinku, przy określonym stanie wody. Znajomość retencji dolinowej jest ważnym czynnikiem przy projektowaniu wałów przeciwpowodziowych, które odcinają od rzeki tereny zalewowe zmniejszają zdolność retencyjną doliny rzeki.

• jeziorowa i zbiornikowa

Ilość wody, jaka może być zmagazynowana w jeziorze (zbiorniku), określa się na podstawie krzywych powierzchni i pojemności jeziora. Wykres ten sporządza się na podstawie planu głębokościowego jeziora (planu izobat) przez określenie objętości poszczególnych warstw zawartych pomiędzy określonymi izobatami. Zdolność retencyjną jezior w danym momencie jest objętość warstwy pomiędzy poziomami zwierciadła wody najwyższym dopuszczalnym a aktualnym. Zdolność ta, czyli możliwość gromadzenia wody, jest tym większa im większa jest powierzchnia jeziora oraz im wyższe są brzegi jeziora.

• terenu

Woda zatrzymana na obszarze zlewni wypełnia zagłębienia terenowe, bruzdy śródpolne itp. Ilość wody w ten sposób magazynowanej określa się drogą pomiarów geodezyjnych większych zagłębień terenowych wypełnionych wodą. Pomiary takie wykonuje się w określonych odstępach czasowych celem wychwycenia zmian pojemności retencjonowanej wody na powierzchni terenu.

• Podziemna

Część wody znajdującej się w gruncie zostaje fizycznie związana z cząstkami gruntu, tworząc wilgoć gruntową. Jest to tzw. woda adhezyjna, która jest w różnym stopniu związana z gruntem. Najmocniej związana jest woda błonkowata, otaczająca cząstki gruntu, ciągłą powłoką. Słabszy stopień związania wykazuje woda włoskowata (kapilarna), znajdująca się w szczelinach i kanalikach w glebie lub skale. Woda związana mechanicznie z gruntem tworzy retencje związaną. Woda przesiąka przez grunt do napotkania stropu warstwy nieprzepuszczalnej. Zatrzymanie na tej warstwie cząstki wody wypełniają przestrzenie mędzycząstkowe gruntu i nasycają go do pełnej pojemności. Woda znajdująca się w tej warstwie tworzy zasoby retencji wolnej. Częś wody znajdująca się ponad dnem koryt cieków powierzchniowych może odpływać z prędkością zależną od rodzaju gruntu i spadku warstwy nieprzepuszczalnej. Jest to retencja czynna, inaczej grawitacyjna lub potamiczna. Woda zalegająca poniżej poziomu dna odbiorników tworzy retencję bierną, inaczej: zastoiskową lyb apotamiczną, która w naturalny sposób nie bierze udziału w odpływie.

8

---