Hydrologia, rok III, wykład 9

1/15

Odpływ ze zlewni

• Zlewnia (ang. watershed, catchment) – obszar z którego wody

opadowe spływają do określonego punktu leżącego w korycie cieku

• Granica zlewni – zamknięta krzywa będąca zwykle linią

grzbietową, zawierającą punkt przez który odpływająca woda
opadowa opuszcza zlewnię w postaci odpływu skupionego

granica zlewni

przekrój
zamykaj

ą

cy

zlewni

ę

Schemat zlewni

Hydrologia, rok III, wykład 9

2/15

Formowanie się odpływu ze zlewni

opad na pow. cieków

spływ powierzchniowy

czas od rozpocz

ę

cia opadu

odpły

w podziemny

odpływ

podpo

wierzch

niowy

w

zro

st

uw

ilg

otn

ie

nia

g

ru

ntu

rete

ncja

pow

ierzc

hnio

wa

inter

cep

cja

n

a

t

ę

ż

e

n

ie

o

p

a

d

u

P

Q

(t

)

t

in

fi

lt

ra

c

ja

i parowanie

Hydrologia, rok III, wykład 9

3/15

Bilans objętości wody na powierzchni gruntu

L(t) + E(t) + f(t) + r(t) + I(t) = P(t)

L

– intercepcja,

E

– parowanie,

f

– infiltracja,

r

– retencja powierzchniowa,

I

– opad efektywny (powoduj

ą

cy spływ powierzchniowy)

Hydrologia, rok III, wykład 9

4/15

• analiza reakcji zlewni na opad o charakterze nawalnym sugeruje

cztery podstawowe drogi zasilania koryta cieku:

– spływ powierzchniowy (Q

s

(t))

– odpływ podpowierzchniowy (Q

p

(t)),

– odpływ gruntowy (podziemny) (Q

g

(t))

– bezpośrednie zasilanie koryta opadem na powierzchnię cieków

(I

b

(t)

≈

0)

spływ powierzchniowy

odpływ podpowierzchniowy

odpływ podziemny

opad

opad

Formowanie się odpływu całkowitego Q(t) ze zlewni

Q(t) = Q

s

(t) + Q

p

(t) + Q

g

(t)

Odpływ całkowity:

Hydrologia, rok III, wykład 9

5/15

•

Spływ powierzchniowy

– Grawitacyjne przemieszczanie się wody opadowej po nasyconej powierzchni

gruntu przepuszczalnego lub po powierzchni gruntu nieprzepuszczalnego oraz w
mikro-sieci hydrograficznej zgodnie ze spadkiem. Q

s

występuje po wypełnieniu

wszystkich możliwych form retencji powierzchniowej, infiltracji i parowania

•

Odpływ podpowierzchniowy

– Jest to część wody, która w wyniku infiltracji wsiąkła do gruntu i zaczęła

przemieszczać się poziomo w strefie nienasyconej. Zwykle po pewnym czasie
woda ta wypływa na powierzchnię terenu i łączy się ze spływem
powierzchniowym. Jest on opóźniony w stosunku do spływu powierzchniowego i
pojawia się po pewnym czasie od rozpoczęcia opadów, zanikając z czasem

•

Odpływ podziemny

– Zasilanie cieku wodą podziemną (strefa saturacji) wynikające ze spadku jej

zwierciadła. Wpływ na odpływ całkowity ma małe znaczenie w trakcie opadów
nawalnych, ma zasadnicze znaczenie w okresach bezdeszczowych

Hydrologia, rok III, wykład 9

6/15

Hydrogram odpływu

• graficzne lub tabelaryczne przedstawienie zmienności w czasie

natężenia odpływu dla wybranego punktu (przekroju) cieku

• „integralne wyrażenie charakterystyk fizjograficznych i

klimatycznych, które determinują relację pomiędzy opadem a
odpływem na obszarze danej zlewni” – Chow (1959)

• rodzaje hydrogramów:

– roczny

– wezbraniowy

Hydrologia, rok III, wykład 9

7/15

Hydrogram roczny

• Wykres natężeń przepływu w czasie Q(t) dla okresu 1 roku ilustruje

długoterminowy bilans opadów, parowania i odpływu w zlewni

klimat wilgotny

t

1000

100

110

1

Q

[m /s]

3

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

klimat suchy - rzeka okresowa

Q

[m /s]

3

t

10000

1000

100

10

1

0

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

rzeka o stałym zasilaniu,
np. przez topnienie

ś

niegu

Q

[m /s]

3

t

1000

100

10

1

0

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

klimat
wilgotny

klimat suchy - rzeka okresowa

rzeka o stałym zasilaniu
np. przez topnienie

ś

niegu

Hydrologia, rok III, wykład 9

8/15

Hydrogram wezbraniowy

• reakcja zlewni na opad nawalny (burzowy):

– hydrogram prosty – jedna kulminacja, kształt niesymetrycznej

krzywej dzwonowej

krzywa
wznoszenia

opad efektywny

C

kulminacja

krzywa
wysychania

A

B

czas trwania spływu

powierzchniowego

krzywa opadania

D

E

t

krzywa wysychania
(recesji)

spływ powierzchniowy

odpływ podpowierzchniowy

odpływ
podziemny

P(t)

Q(t)

[m /s]

3

mm

t

∆

t

intercepcja + parowanie + infiltracja
+ retencja powierzchniowa

Hydrologia, rok III, wykład 9

9/15

• rozdział hydrogramu prostego

N

Q

Q

g

t

N = const – czas trwania spływu powierzchniowego po kulminacji

Hydrologia, rok III, wykład 9

10/15

Odpływ powierzchniowy

• Opad efektywny I(t) – część opadu całkowitego wywo-łująca spływ

powierzchniowy:

– P(t)

opad całkowity

– E(t)

parowanie

» w trakcie opadów jest silnie zredukowane

– L(t)

intercepcja

» ma znaczenie w początkowej fazie opadu w zlewniach z bogatą

szatą roślinną

– R(t)

retencja powierzchniowa

» jest istotne w początkowej fazie opadu w zlewniach

słaboprzepuszczalnych, np. zurbanizowanych

– f(t)

infiltracja

» ma zasadnicze znaczenie i decyduje o opadzie efektywnym

I(t) = P(t)

−

E(t)

−

L(t)

−

R(t)

−

f(t)

Hydrologia, rok III, wykład 9

11/15

P

g

(t) = P(t) –

∆

P(t)

Wyznaczenie opadu efektywnego I(t)

P

g

(t)

– wysoko

ść

opadu na powierzchni gruntu,

∆

P(t)

– ł

ą

czne straty opadu całkowitego

wywołane parowaniem, intercepcj

ą

oraz retencj

ą

powierzchniow

ą

Zatem:

opad efektywny I(t)

t

infiltracja f

K

f

P

g

( )

( ) ( )

t

f

t

P

t

I

g

−

=

( )

0

=

t

I

( ) ( )

t

f

t

P

g

≥

( ) ( )

t

f

t

P

g

<

gdy

gdy

Hydrologia, rok III, wykład 9

12/15

• Warunki stosowania metody:

– dostępność stosownych danych umożliwiających obli-czenie

infiltracji

• Metody przybliżone stosowane w przypadku braku danych:

– metoda współczynnika odpływu

– metoda SCS

Hydrologia, rok III, wykład 9

13/15

Metoda współczynnika odpływu

• z warunku ciągłości:

S

S

V

I

=

∫

⋅

=

T

s

dt

t

I

I

0

)

(

∫

⋅

=

T

s

s

dt

t

Q

V

0

)

(

• Współczynnik odpływu ze zlewni:

c

s

P

V

=

α

obj

ę

to

ść

wody odpowiadaj

ą

ca

opadowi efektywnemu w czasie

T

obj

ę

to

ść

odpływu powierzchniowego

w przedziale czasu

〈

0,

T〉

α

– współczynnik odpływu (

α

< 1)

P

c

– opad całkowity na zlewni















⋅

∫

T

dt

t

P

0

)

(

Hydrologia, rok III, wykład 9

14/15

• Średni współczynnik odpływu zależy od:

– r

- wskaźnika zdolności retencyjnej zlewni

– P

c

- opadu całkowitego

– t

p

- czasu trwania opadu

–

δ

- wskaźnika sezonowego

(

)

δ

α

α

,

,

,

p

c

t

P

r

=

• Przykład (zlewnia górnego Dunajca – przekrój Nowy Targ):

93

,

0

100

1

3573

p

k

c

k

t

P

⋅

⋅

⋅

=

α

k = 2,88(0,8 + 0,25

⋅

log (r))

–1

r [m

3

/s]

P

c

[mm]

t

p

[h]

• Wartość powyższa jest średnią – umożliwia prognozę objętości

wezbrania: V

s

=

α

·P

c

Hydrologia, rok III, wykład 9

15/15

• Uzmiennienie w czasie odpływu (opadu efektywnego):

I

∆

t

–

opad efektywny w przedziale czasu

∆

t

P

∆

t

–

opad całkowity w przedziale czasu

∆

t

( )

t

t

P

t

I

∆

∆

⋅

=

α

• Wada – zawyżanie opadu efektywnego w początkowym okresie

opadów, gdy straty wody są największe (retencja powierzchniowa,
intercepcja, infiltracja)

1,0

0,5

0,0

t

T

t

α

α

ś

r

0

Zale

ż

no

ść

α

od czasu