Hydrologia 2_06-11-2012

Norbert Szmolke

2012

Hydrologia

Pomiary

w hydrologii

W niniejszym opracowaniu wykorzystano fragmenty prezentacji, opracowanej

przez Romana Skąpskiego a dostępnej na stronie www.imgw.pl

Pomiary i przyrz

dy hydrologiczne

Pomiary i obserwacje stanów wód

Rodzaje przyrz

dów pomiarowych:

wodowskaz łatowy

wodowskaz sprz

ęż

ony

wodowskaz skarpowy

wodowskaz pływakowy

wodowskaz samopisz

cy (limnigraf)

wodowskazy szpilkowe

Pomiar wielko

ci opadu

Pomiar pr

dko

ci wody

Rodzaje przyrz

dów pomiarowych

pływaki
młynki hydrometryczne
dynamometry

Pomiar gł

boko

ci wody

Przyrz

dy pomiarowe:

sonda sztywna
sonda zawieszona

Pomiar nat

ęż

enia przepływu

Metody bezpo

rednie

Metody po

rednie

Pomiary rumowiska

unoszonego

wleczonego

Pomiary i obserwacje stanów wód

Stanem wody w cieku lub zbiorniku wodnym

nazywa

poziom wzniesienia zwierciadła wody w miejscu

pomiaru ponad umowny poziom porównawczy (zero
wodowskazowe), co nie jest równoznaczne z
gł

boko

cieku.

Gł

boko

ść

- wysoko

ść

zwierciadła wody ponad dno cieku

Napełnienie - wysoko

ść

zwierciadła wody ponad dno teoretyczne (dotyczy profilu cieku).

Dno teoretyczne – jest to dno wyznaczone przez zwierciadło wody przy przepływie równym
zero.

Stany wód

Wyró

nia si

stan

niski,

redni,

wysoki

ostrzegawczy,

alarmowy.

Stan ostrzegawczy

Układa się poniżej stanu alarmowego, a po jego
przekroczeniu ogłaszane jest pogotowie powodziowe.
Wielkość różnicy pomiędzy stanem ostrzegawczym i
alarmowym zależy od charakteru rzeki i przeciętnej
szybkości przyboru wody.
Stan ostrzegawczy na łatach wodowskazowych bywa
oznaczany kolorem

niebieskim

Stan alarmowy

Jest to taki stan napełnienia koryta, przy którym

woda zaczyna zagra

obszarom

zagospodarowanym i budowlom wodnym.

Osi

gni

cie stanu alarmowego jest podstaw

ogłoszenia alarmu powodziowego.

Wysoko

ść

takiego stanu (w centymetrach)

ustalana jest przez wła

ciwy urz

administracji wodnej w porozumieniu z
lokalnym komitetem przeciwpowodziowym i
Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej.

Zwykle stan ten le

y w pobli

u wody brzegowej lub

nieco poni

ej zwyczajnej wielkiej wody.

Stan alarmowy na łatach wodowskazowych bywa

oznaczany kolorem

czerwonym.

Pomiary stanów wód

Do pomiarów stanów wód słu

żą

wodowskazy.

Wybór odpowiedniego rodzaju wodowskazu

zale

y od rodzaju rzeki lub zbiornika

wodnego oraz od charakteru
zamierzonych pomiarów.

Posterunki wodowskazowe

Pomiary i obserwacje, s

wykonywane o godz.6.00.

Podstawowy zakres pomiarowy:

Stan wody
Zjawiska lodowe i grubo

ść

pokrywy lodowej

Zarastanie koryta rzeki ro

linno

Ewentualnie zapis dobowego przebiegu stanu wody [limnigraf]
Ewentualnie temperatura wody

Obsługa – obserwator ryczałtowy

Na niektórych posterunkach pomiary stanu wody s

wykonywane tak

e o 12.00 i 18.00.

Po przekroczeniu stanu ostrzegawczego pomiary

nadzwyczajne s

wykonywane co 6 godzin, a po przekroczeniu

stanu alarmowego co 3 godziny.

Sie

posterunków wodowskazowych

Rodzaje wodowskazów

Wodowskaz łatowy (łata wodowskazowa) –
urz

dzenie słu

żą

ce do pomiaru stanu wody, składaj

z konstrukcji no

nej z przymocowanym do niej

podziałem w postaci segmentowanych tablic. Za
pomoc

łaty wodowskazowej mierzy si

wysoko

ść

lustra wody w stosunku obranej płaszczyzny
odniesienia (tzw. zero wodowskazu). Warto

ść

elementarna podziału ma długo

ść

2 cm, a opis cyfrowy

podany jest co 10 cm. Odczyt stanu wody dokonywany
jest z dokładno

do 1 cm przez obserwatora w

okre

lonych terminach obserwacji.

Wodowskaz sprz

ęż

ony – zło

ony z kilku łat

wodowskazowych. Stosuje si

go przy płaskich

brzegach i du

ych wahaniach zwierciadła wody.

Wodowskaz zło

ony (skarpowy) – charakteryzuje

on tym, i

podziałki wodowskazowe umieszczane

na pochyłych skarpach. Wówczas wymiary

podziałek s

tak dobrane, aby odczyty na nich

odpowiadały cm wzniesieniom wody w pionie

Łata cyfrowa - magnetyczna

Wodowskaz pływakowy – zbudowany jest z
pływaka zamocowanego na jednym ko

linki, za

na drugim ko

cu zaczepiona jest

przeciwwaga.

Miar

poziomu wody jest

odchylenie pływaka na
dan

wysoko

ść

Jego rozwini

ciem jest

limnigraf

Limnigraf

- urz

dzenie umo

liwiaj

ce ci

gł

rejestracj

stanu i zmian poziomu wody. Odtwarza na wykresie
przebieg dobowy, tygodniowy, miesi

czny, a nawet

roczny stanu wody. Limnigraf składa si

z pływaka na

mie lub lince z przeciwwag

, nap

dzaj

cego koło

pomiarowe, a za jego po

rednictwem elementy

kre

ce hydrogram. Pływak limnigrafu umieszczony

jest w studni limnigraficznej poł

czonej przewodem z

korytem rzeki. Uj

cie przewodu musi znajdowa

poni

NNW - najni

szej wody wieloletniej

Wyró

nia si

dwa podstawowe typy limnigrafów - o

zapisie stanów wód

analogowym

cyfrowym

Urz

dzenia analogowe zapisuj

na ta

mie papierowej

pionowy ruch pływaka.

Sposoby wbudowania rzecznych limnigrafów pływakowych:
a) w pionowej rurze,
b) w studni z uj

ęciem poziomym,

c) w studni poł

ączonej z obszarem płynącej wody za pomocą przewodu lewarowego.

Obecnie coraz cz

ęś

ciej stosuje si

cyfrowe

systemy rejestracji stanów wód

, przy czym

odpowiedni przetwornik pomiarowy na
podstawie pomiaru ci

nienia

hydrostatycznego słupa wody okre

la jego

wysoko

ść

nad poziom zainstalowania

czujnika.

Urz

dzenie limnigrafu słu

żą

ce do zapisu

stanu wody umieszczone jest w

budce

limnigraficznej

, co wynika z konieczno

zabezpieczenia delikatnej konstrukcji przed
wpływem niekorzystnych warunków
pogodowych

Repery

Utrwalony

terenie,

naturalny

lub

sztuczny, znak o znanej rzędnej nad
przyjętym poziomem odniesienia (o
znanej wysokości n.p.m.) stanowiący
podstawę pomiarów niwelacyjnych.

Pomiar wielko

ci opadu

Pomiary i obserwacje, przy wykorzystaniu aparatury

standardowej i automatycznej, s

wykonywane o

6.00, a uzupełniaj

ce je obserwacje wizualne, przez

cał

dob

Podstawowy zakres pomiarowy:

Wysoko

ść

opadu i pokrywy

nie

nej

Obserwacje wizualne [zjawiska, zachmurzenie]
Ewentualnie zawarto

ść

wody w

niegu

Wlot deszczomierza ma 200 cm2 i jest umieszczony 1

metr nad powierzchni

gruntu, a na posterunkach

poło

onych powy

ej 500 metrów nad poziomem

morza, na wysoko

ci 1,5 metra

Posterunki opadowe – deszczomierze Hellmana

Posterunki opadowe – deszczomierz

automatyczny

Deszczomierz wagowy

Młynek hydrometryczny –

słu

do pomiaru punktowej pr

dko

wody w ró

nych pionach i na

ró

nych gł

boko

ciach w

poprzecznym przekroju rzeki.

Podczas pomiaru młynek przekazuje

sygnał co pewn

liczb

obrotów.

Parcie wody powoduje obrót wirnika

młynka.

dko

ść

przepływu okre

la si

zliczaj

c liczb

obrotów wirnika w

okre

lonym czasie lub mierz

czas jaki jest potrzebny na
wykonanie okre

lonej liczby

obrotów.

ędkość wody określa się następnie z równania młynka:

V= α + ß n

gdzie:
α

i ß - współczynniki młynka określane w wyniku procesu

cechowania

w kanale hydrometrycznym
n - ilość obrotów młynka w jednostce czasu [ obr/s].

Aby otrzymać wartość prędkości przepływu niezbędne jest określenie
powierzchni przekroju w którym mierzony jest przepływ oraz prędkości
wody w punktach pomiarowych.

Zsumowanie iloczynów powierzchni

cząstkowych i prędkości średnich dawało rezultacie natężenie
przepływu. W rezultacie, stosując metodę pięciopunktową, przy
szerokości rzeki powyżej 300 m stosowano 20 pionów co dawało 100
punktów pomiaru prędkości wody, na podstawie których obliczano w
kolejnych krokach uśredniania natężenie przepływu.

Młynek hydrometryczny

(duże cieki wodne)

Młynek hydrometryczny

(małe cieki wodne)

W przypadku pomiaru w

małych ciekach
wodnych młynek
mocowany jest na

erdzi, tj. lekkim dr

ąż

do r

cznego

sondowania gł

boko

ci.

ywany przy

pomiarach przepływu,
wykonywanych w bród,
z łódki, b

z pokrywy

lodowej.

Każdy używany młynek hydrometryczny powinien
być co jakiś czas kalibrowany (cechowany) w

KANALE HYDROMETRYCZNYM

, aby uniknąć

przekłamań w wynikach pomiarów.  Zarówno
kalibracja młynka  jak i pomiary  hydrologiczne
wykonywane  z jego pomocą są realizowane  według
procedur pomiarowych  zgodnych  z normami  PN-
ISO np. PN-ISO 748:2000.

Celem kalibracji jest wyznaczenie zależności
pomiędzy liczbą obrotów przyrządu a prędkością
cieku wodnego.

Zasady kalibracji młynka

W kanale młynek porusza si

z okre

lon

, stał

dko

wzgl

dem wody pozostaj

cej w spoczynku (w warunkach

rzeczywistych jest odwrotnie).

Cechowanie (kalibracja) młynka rozpoczyna si

najmniejszych pr

dko

ci i stopniowo, przy kolejnych

"jazdach", pr

dko

ść

zwi

ksza.

Wszystkie zebrane informacje trafiaj

do komputera, który je

przelicza i wy

wietla wyniki (równie

w postaci wykresów).

Istotne s

tu nie tylko dane zebrane z młynka, ale równie

wszelkie dane towarzysz

ce cechowaniu (kalibracji) takie

jak: temperatura wody, długo

ść

odcinka, na którym wykonuje

pomiar, pr

dko

ść

, liczba "przejazdów".

Aby dokona

prawidłowej kalibracji młynka nale

y odby

minimum 10 "jazd" wózkiem pomiarowym wykonuj

pomiary przy ró

nych pr

dko

ciach.

Cechowanie (kalibrowanie) młynka hydrometrycznego nale

wykonywa

co 2 lata.

Pomiary gł

boko

ci wody

Sonda sztywna – wykonana w postaci pr

drewnianego lub z blachy nierdzewnej o dł. do 8 m z
podziałem co 5 lub 10 cm. Podczas pomiaru sonda
opierana jest o dno. W zale

ci od rodzaju dna

sonda zaopatrzona jest w okucie lub dysk metalowy z
ostrzem

Sonda zawieszona – jest to ci

ęż

elazny lub

ołowiany zawieszony na linie i opuszczony na dno.
Ci

ęż

ar ma kształt soczewki b

torpedy zaopatrzonej

w ster.

Echosonda – mierzy si

znaczne gł

boko

ci.

Działanie opiera si

na zjawisku odbicia fal. Odległo

te oblicza si

mierz

c czas powrotu d

ku odbitego

od dna

Istniej

echosondy d

kowe, ultrad

kowe i

elektroniczne.

Pomiar nat

ęż

enia przepływu

Metody bezpo

rednie

metoda obj

ciowa – polega na pomiarze

czasu napełniania naczynia o znanej pojemno

metoda przelewowa – stosuje si

dla małych

przepływów. W zale

ci od rodzaju przegrody

dobiera si

odpowiedni współczynnik przelewu

Metody po

rednie

młynek hydrometryczny Q = F*V

pływaki

W celu wyznaczenia strumienia (nat

ęż

enia przypływu)

niezb

dne jest okre

lenie pr

dko

ci wody, przekroju

poprzecznego koryta rzecznego, gł

boko

ci koryta itd.

Nowoczesnym i wielofunkcyjnym przyrz

dem

wykorzystywanym do pomiarów przepływu jest

ADCP

[Acoustic Doppler Current Profiler].

Metoda ADCP jest metod

wykorzystuj

wyst

puj

przy propagacji fali d

kowej zjawisko Dopplera,

polegaj

ce na zmianie cz

stotliwo

ci sygnału odbitego

od poruszaj

cego si

obiektu.

Przyrz

d wykorzystuj

cy t

metod

, składa si

z głowicy

pomiarowej z 4 przetwornikami nadaj

cymi i

odbieraj

cymi impulsy fal akustycznych o cz

stotliwo

1200 kHz oraz komputera, w którym dzi

odpowiedniemu oprogramowaniu wykonywane s

obliczenia i wizualizacja pomiaru.

ADCP – przepływomierz akustyczny

Na niektórych (niewielkich) ciekach mo

stosowa

/wykorzystywa

PRZELEW MIERNICZY.

Jest on stosowany najcz

ęś

ciej na małych rzekach i potokach

górskich, gdzie ze wzgl

du na warunki naturalne

niemo

liwe jest stosowanie innych urz

dze

. Przelew

mierniczy jest to mała budowla hydrotechniczna lub
narz

dzie przeno

ne.

Pomiar nat

ęż

enia przepływu polega na zmierzeniu

wysoko

ci spi

trzenia wywołanego przez szczeln

przegrod

ustawion

pionowo i prostopadle do osi cieku

lub rzeki.

W zale

ci od charakterystyki przepływów stosuje si

ró

ne przelewy miernicze (np. kombinowane przelewy lub

przelewy dwudzielne).

Zakres pomiarowy przelewów obejmuje przepływy

od 0,0005 do 10 m

/s, przy czym dany przelew

e pracowa

w do

ść

skich granicach. W

przypadku gdy amplituda waha

nat

ęż

enia

przepływu jest wi

ksza, stosuje si

kombinowane

przelewy lub przelewy dwudzielne.

Do najcz

ęś

ciej stosowanych przelewów

mierniczych nale

żą

1) przelew prostok

tny bez zw

ęż

enia bocznego

(przelew Bazina),
2) przelew prostok

tny z obustronnym

ęż

eniem bocznym (przelew Ponceleta),

3) przelew trapezowy (przelew Cipollettiego),
4) przelew trójk

tny (przelew Thomsona).

Np. strumień objętości, dla przelewu prostokątnego

gdzie:

C - współczynnik przepływu, uwzględniający między innymi wpływ prędkości w części dopływowej

kanału, zależny jest od wysokości przelewu

oraz od wysokości strumienia przelewowego

w [m],

b - szerokość kanału otwartego w [m],

z - wysokość strumienia przelewowego w [m],

g - przyśpieszenie ziemskie [m/s

Monta

ż przelewu mierniczego w studzience pomiarowej

Montaż przelewu mierniczego polega z reguły na zabetonowaniu go w studzience

pomiarowej w taki sposób, aby zapewnić szczelność w stosunku do dna i ścian

studzienki.

Przepływomierz elektromagnetyczny

Przyrząd ten działa na zasadzie prawa Faradaya to znaczy, że
przepływająca wokół głowicy przyrządu woda, indukuje w niej
prąd o wartości proporcjonalnej do prędkości poruszającej się
wody.

Prąd ten jest mierzony w wyspecjalizowanym komputerze
pomiarowym, a wynik jest wyświetlany wraz z miarami
statystycznymi na ekranie przyrządu, zgodnie z zadanymi
warunkami wstępnymi pomiaru.

Przyrz

ądy te charakteryzują się przede wszystkim brakiem

jakichkolwiek cz

ęści ruchomych, a więc pomiar nie jest

obarczony bł

ędami związanymi z mechaniczną naturą ruchu

śmigiełka hydrometrycznego w tym również z jego
bezwładno

ścią.

Ciekaw

wła

ciwo

tego typu przyrz

dów

jest mo

liwo

ść

wykrywania i mierzenia

przepływu o odwrotnym kierunku. Stała
czasowa przyrz

du jest bardzo mała, a

równie

próg zadziałania jest mniejszy ni

młynka hydrometrycznego. Przyrz

dy tego

typu znajduj

zastosowanie w pomiarach

przepływu w płytkich ciekach, a równie

ciekach zarastaj

cych.

Przepływomierz

ultrad

kowy

Przeznaczony jest do pomiaru

przepływu

cieków (wody).

Współpracuje z elementami

spi

trzaj

cymi (zw

ęż

ka, przelew

mierniczy) zamontowanymi w korytach
pomiarowych.

liwo

ść

wprowadzenia dowolnej charakte-

rystyki 32-punktowej. Głowica jest montowana
nad korytem pomiarowy, elektronika w odległo

do 300 m. Odczyt przepływu chwilowego i
sumarycznego.

Pomiary rumowiska

(materiał stały, zawieszony w płyn

cej cieczy)

Pomiar rumowiska unoszonego – okre

lany za

pomoc

batymetru. Pomiar polega na ustaleniu

wagowej ilo

ci zawiesiny zawartej w 1 m3 wody.

Podczas pomiaru batymetr umieszczony jest pod
pr

Pomiary rumowiska

Pomiar rumowiska wleczonego – pobieranie
próbki dokonywane jest przez łapaczk

(umieszcza si

na dnie). Pomiary obarczone

stosunkowo du

ym bł

dem. Mierz

c czas w

gu którego łapaczka znajduje si

na dnie i

znaj

c jej szeroko

ść

na okre

, ile

rumowiska przenoszonego jest w ci

sekundy przez pas szeroko

ci łapaczki.

Kosa lodowa - przyrz

d słu

żą

cy do okre

lania

grubo

ci lodu, składaj

cy si

z drewnianej łaty

z podziałem co 1 cm, na której u dołu
osadzony jest zaczep metalowy.

Wierzchołek zaczepu, znajduje si

na wysoko

zera podziału. Cz

ęść

metalow

urz

dzenia

umieszcza si

w przer

bli pod lodem i

trzymaj

c pionowo odczytuje na drewnianej

łacie grubo

ść

lodu.

Taka konstrukcja umo

liwia wyeliminowanie

bł

dów wynikaj

cych z narastania lodu tu

przy brzegach przer

bli.

Inne pomiary hydrologiczne

Termometr wodny

- urządzenie wykorzystywane

do pomiaru  temperatury  wody w rzekach.
Terminowe pomiary  temperatury  wody
wykonywane  są za pomocą zwykłych
termometrów rtęciowych  ze skalą od -5 do 37°C, o
dokładności 0,2°C. Termometry  te umieszczone  są
w oprawach metalowych,  które chronią je przed
stłuczeniem,  a zbiornik u dołu oprawy zabezpiecza
termometr przed zmianą  temperatury  po wyjęciu z
wody. Pomiary temperatury  wody wykonuje  się
zazwyczaj raz na dobę o godzinie 6.00.

Sposób wykonania pomiaru termometrem wodnym

Termometr wodny, zawieszony na mocnej lince z

tworzywa sztucznego lub sznurka, nale

y szybko i

całkowicie zanurzy

w wodzie tak, aby jej

powierzchnia zakryła termometr wraz z opraw

Dla uzyskania wła

ciwych wskaza

termometru

czas pomiaru powinien trwa

5 minut, a w dniach

bardzo mro

nych (z temperatur

powietrza < -

10°C) i gor

cych (z temperatur

powietrza > 25°C)

- 10 minut.

Miejsce pomiarów temperatury wody powinno

spełnia

odpowiednie kryteria lokalizacyjne. Mi

dzy

innymi powinno znajdowa

w przekroju

wodowskazowym lub w jego s

siedztwie, w

przybrze

nej partii przekroju rzeki, o wyra

nie

widocznym pr

dzie wody, o gł

boko

ci w miar

liwo

ci nie mniejszej ni

0,3 m.

Kiedy mierzymy?

Pomiary stanu wody. Nazywane

potocznie obserwacjami stanu wody
prowadzone s

przez specjalnie do

tego powołanych obserwatorów
wodowskazowych. Wyró

niamy:

obserwacje terminowe i
nadzwyczajne (w okresie wezbra

Obserwacje terminowe. Wykonywane s

przez

obserwatorów w okre

lonych z góry terminach.

Rozró

niamy obserwacje terminowe zwyczajne i

nadzwyczajne. Oprócz stanu wody obserwatorzy
przekazuj

tak

e uwagi o wygl

dzie wody, informacje o

zjawiskach lodowych i temperaturze wody w wybranych
posterunkach wodowskazowych z godz. 6:00 UTC.

Obserwacje nadzwyczajne. Wykonuje si

w okresie

wezbra

, gdy stan wody przekroczy stany ostrzegawcze i

alarmowe. Je

eli na wodowskazie stan wody osi

gnie stan

ostrzegawczy, obserwator ma obowi

zek, bez specjalnego

zarz

dzenia, dokonywania i sygnalizowania obserwacji 3

razy dziennie o godz. 6:00, 12:00 i 18:00, a przy zbli

aniu

do stanu alarmowego lub po jego przekroczeniu co trzy

(o 6:00, 9:00, 12:00, 15:00, 18:00, 21:00, 24:00, 3:00), dwie
a nawet co godzin

. Obserwacje nadzwyczajne na

wodowskazie trwaj

do opadni

cia stanu wody poni

stanu ostrzegawczego.

Obserwacje ci

głe. Wykonywane s

pomoc

samopisów (limnigraf).

Obserwacje zwyczajne. Obserwator

sygnalizacyjnego posterunku
wodowskazowego w zale

ci od jego

ci i przydatno

ci odczytuje stan wody

raz dziennie (o godz. 6:00), 2 razy dziennie o
godz. 6:00 i 18:00 lub 3 razy dziennie o godz.
6:00, 12:00 i 18:00 . Wyniki obserwacji w
okresie normalnym (stan wody poni

stanów ostrzegawczych i alarmowych)
przekazuje raz dziennie, rano po godzinie
6:00.

W oparciu o wieloletnie pomiary, w IMGW,

opracowuje si

publikacje dla posterunków

wodowskazowych sygnalizacji codziennej i
powodziowej, w której zamieszczone s

stany

charakterystyczne, ekstremalne i

rednie z

wielolecia. Oprócz zwykle opracowywanych
stanów charakterystycznych do zestawienia
wprowadzono stany alarmowe, ostrzegawcze
oraz

graniczne

dzy

strefami

stanów

niskich i

rednich oraz

rednich i wysokich.

Obecnie stany te aktualizowane s

co rok.