ZAKŁAD OCHRONY I KSZTAŁTOWANIA
ŚRODOWISKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

PRZEDMIOT:

HYDROLOGIA

PROWADZĄCY:

dr inż. Bogdan Ozga-Zieliński

Dla:

Inżynieria Środowiska sem. III

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE:

3

TEMAT :

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiary podstawowych wielkości hydrologicznych

w przekrojach hydrometrycznych koryt rzecznych

 Pomiar stanu wody H [cm]

 Pomiar natężenia przepływu Q [m

3

/s]

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar stanu wody H

Reper niwelacyjny
państwowej sieci
geodezyjnej

Umowne lub rzeczywiste
zero wodowskazu

Rzędna zera wodowskazu
[m] nad poziomem morza

H

0

Definicja stanu wody H

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Repery niwelacyjne

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Łaty wodowskazowe

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

14

15

H = 147 cm

Odczyt stanu wody na łacie wodowskazowej

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Limnigrafy (ciągła rejestracja stanu wody)

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Limnigraf pływakowy

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Limnigraf pływakowy

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Limnigraf pływakowy

W

P

G

R

r

R(P-

W

) = rG

RP > rG

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Limnigraf pływakowy

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Sieć stacji wodowskazowych (902)

Pomiary i obserwacje, są wykonywane o godzinie 6 UTC
Podstawowy zakres pomiarowy:



Stan wody (ew. pomiar ciągły z zapisem – limnigraf)



Zjawiska lodowe (śryż, lód brzegowy, grubość pokrywy

lodowej, kra)



Zarastanie koryta rzeki roślinnością



Temperatura wody



Ewentualnie rumowisko unoszone

Obsługa: obserwator ryczałtowy

Na niektórych posterunkach pomiary stanu wody są
wykonywane także o godzinie 12 i 18 UTC.

Po przekroczeniu stanu ostrzegawczego
pomiary nadzwyczajne są wykonywane co 6 godzin,
a po przekroczeniu stanu alarmowego co 3 godziny

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Zasady wykonywania pomiarów wodowskazowych

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Telemetryczne posterunki wodowskazowe

Telemetryczne stacje
wodowskazowe (552)

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar natężenia przepływu

Przekrój hydrometryczny

Q [m

3

/s]

F

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar natężenia przepływu

Tachoida przedstawia

rozkład prędkości v

w przekroju poprzecznym

F

Q [m

3

/s]

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar natężenia przepływu

Objętość tej bryły

jest równoważna

natężeniu

przepływu Q





F

vdF

Q

Q [m

3

/s]

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar natężenia przepływu

Objętość tej bryły

jest równoważna

natężeniu

przepływu Q

śr

v

F

Q







F

vdF

Q

Q [m

3

/s]

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar natężenia przepływu

v

śr

Zastępcza objętość

równoważna natężeniu

przepływu Q dla v

śr

F

v

Q

śr



Q [m

3

/s]

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Młynek hydrometryczny

Młynek śrubowy

Młynek czaszowy

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Młynek hydrometryczny

Młynek śrubowy

Młynek czaszowy

n

v











Młynek hydrometryczny z małym

wyciągiem

mostowym do pomiarów wielkich wód

Zestaw do wykonywania pomiarów

hydrometrycznych młynkiem

brodząc.

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Młynek hydrometryczny

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Prądomierz elektromagnetyczny

Napięcie na elektrodach:

U = bBv

b – odległość pomiędzy

elektrodami

B - indukcja pola

magnetycznego

v – prędkość przepływu

Przepływająca w tym polu woda powoduje
indukowanie się w niej SEM o napięciu U

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Prądomierz elektromagnetyczny

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiary wykonywane brodząc

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiary wykonywane z łodzi

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiary wykonywane z mostu

Prezentowane rozkłady prędkości  przepływu (tachoidy)
w poszczególnych pionach są charakterystyczne dla
pomiarów wykonywanych pod pokrywą lodową  i są one
odmienne od typowych rozkładów, które występują przy
swobodnym przepływie wody w rzekach w warunkach
normalnych (bez pokrywy lodowej i bez innych czynników
zakłócających takich, jak np. zarastanie)

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiary wykonywane pod pokrywą lodową

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Podstawowa technika wykonania pomiaru

Prawy brzeg

Lewy brzeg

B [m]

Sondowanie dna ze stałym krokiem ΔB
(od 20 do 30 pionów sondowania h [m])

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Podstawowa technika wykonania pomiaru

Prawy brzeg

Lewy brzeg

Wybór pionów hydrometrycznych

Szerokość koryta

[m]

Minimalna liczba pionów

hydrometrycznych

< 0.5

3 – 4

0.5 – 1.0

4 – 5

1.0 – 3.0

5 – 8

3.0 – 5.0

8 - 10

5.0 – 10.0

10 – 20

Powyżej 10.0

≥ 20

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Podstawowa technika wykonania pomiaru

Prawy brzeg

Lewy brzeg

Pomiary prędkości przepływu

Pomiary prędkości wykonuje się w pionach hydrometrycznych

na różnych głębokościach (w jednym, trzech lub w pięciu punktach pionu)

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Podstawowa technika wykonania pomiaru

Pomiary prędkości przepływu

h

2

.

0

h

4

.

0

h

4

.

0

h

2

.

0

h

4

.

0

h

8

.

0

h

8

.

0

P

D

m

2

.

0



h

m

6

.

0

2

.

0



 h

m

6

.

0



h

)

3

3

2

(

1

.

0

8

.

0

4

.

0

2

.

0

P

h

h

h

D

h

v

v

v

v

v

v











)

2

(

25

.

0

8

.

0

4

.

0

2

.

0

h

h

h

h

v

v

v

v







h

h

v

v

4

.

0



Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Podstawowa technika wykonania pomiaru

Prawy brzeg

Lewy brzeg

Obliczanie natężenia przepływu

i

F



1

F



1

,

h

v

1

, 

i

h

v

i

h

v

,

1

1

,

1

F

v

Q

h

p

















n

i

i

Q

Q

1

i

i

h

i

h

i

F

v

v

Q











)

(

5

.

0

,

1

,

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Akustyczny dopplerowski prądomierz profilujący (ADCP)

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Akustyczny dopplerowski prądomierz profilujący (ADCP)

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar natężenia przepływu za pomocą ADCP

39

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Pomiar rozkładu prędkości za pomocą ADCP

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Oprogramowanie ADCP - program WinRiver

Pomiary wykonuje się na posterunkach wodowskazowych, w celu
ustalenia zależności stan wody – natężenie przepływu.

W normalnych warunkach w każdym przekroju należy wykonać
od 7 do 10 pomiarów w roku, przy różnych stanach wody.

Bardzo istotne jest wykonywanie pomiarów przy bardzo niskich
stanach, czyli w okresie występowania niżówek, oraz przy
najwyższych stanach, podczas wezbrań lub powodzi.

Pomiary wykonywane są wg jednolitych procedur zgodnych
z polskimi normami i metodyką obowiązującą w IMGW-PIB wg
standardów WMO i ISO.

Metody i przyrządy pomiarowe w hydrologii

HYDROLOGIA

Zasady wykonywania pomiarów natężenia przepływu

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Przy opracowaniu prezentacji wykładu

wykorzystano fotografie wykonane przez pracowników

Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej

Państwowego Instytutu Badawczego

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE:

4

TEMAT :

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych.
Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Natężenie przepływu mierzone jest w każdym przekroju
wodowskazowym średnio zaledwie około osiem razy w roku

PODSTAWOWY PROBLEM

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Natężenie przepływu mierzone jest w każdym przekroju
wodowskazowym średnio zaledwie około osiem razy w roku

Bezpośrednie pomiary przepływu nie stanowią więc wystarczającej
informacji o szybko zmieniających się w czasie zasobach wodnych
koryt rzecznych

PODSTAWOWY PROBLEM

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Natężenie przepływu mierzone jest w każdym przekroju
wodowskazowym średnio zaledwie około osiem razy w roku

Bezpośrednie pomiary przepływu nie stanowią więc wystarczającej
informacji o szybko zmieniających się w czasie zasobach wodnych
koryt rzecznych

Potrzebna jest znajomość wartości natężenia przepływu przynajmniej
z krokiem dobowym

PODSTAWOWY PROBLEM

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Należy znaleźć regresyjny związek pomiędzy mierzonym natężeniem
przepływu Q i jednocześnie mierzonym stanem wody H, a następnie
wykorzystać ten związek do obliczania dobowych wartości natężenia
przepływu na podstawie obserwowanych dobowych wartości stanu

Q

1

– H

1

Q

2

– H

2

Q

3

– H

3

 

 

 

Q

N

–

H

N

ROZWIĄZANIE PROBLEMU

Z fizycznego punktu widzenia napełnienie koryta rzecznego (a zatem
także stan wody H) zależy od ilości wody Q płynącej korytem i od
aktualnych warunków hydraulicznych panujących w korycie rzeki

Stan wody mierzony jest w każdym przekroju wodowskazowym
co najmniej raz na dobę

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

ROZWIĄZANIE PROBLEMU

H [cm]

Q [m

3

/s]

Wyniki pomiarów (Q

i

, H

i

) przedstawione na wykresie wykazują pewien

rozrzut spowodowany zmiennością warunków hydraulicznych
panujących w korycie rzeki

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

ROZWIĄZANIE PROBLEMU

H [cm]

Q [m

3

/s]

Wyniki pomiarów (Q

i

, H

i

) przedstawione na wykresie wykazują pewien

rozrzut spowodowany zmiennością warunków hydraulicznych
panujących w korycie rzeki

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

ROZWIĄZANIE PROBLEMU

H [cm]

Q [m

3

/s]

Wybraną jednorodną grupę wyników pomiarów (Q

i

, H

i

) można

aproksymować za pomocą wykresu w postaci krzywej

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

KRZYWA PRZEPŁYWU

H [cm]

Q [m

3

/s]

Wybraną jednorodną grupę wyników pomiarów (Q

i

, H

i

) można

aproksymować za pomocą wykresu w postaci krzywej

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA





max

h

Q 

Krzywą przepływu w warunkach ruchu wolnozmiennego w regularnym
korycie rzeki opisuje funkcja o postaci

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA





max

h

Q 

wodowskaz

max

h



H

0

Krzywą przepływu w warunkach ruchu wolnozmiennego w regularnym
korycie rzeki opisuje funkcja o postaci

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA





max

h

Q 

wodowskaz

max

h



H

0

max

h

H 





Krzywą przepływu w warunkach ruchu wolnozmiennego w regularnym
korycie rzeki opisuje funkcja o postaci

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA





max

h

Q 

wodowskaz

max

h



H

0

max

h

H 











)

( 

 H

Q

Krzywą przepływu w warunkach ruchu wolnozmiennego w regularnym
korycie rzeki opisuje funkcja o postaci

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA





max

h

Q 

wodowskaz

max

h



H

0

max

h

H 











)

( 

 H

Q

UWAGA na jednostki:

]

/

[m

3

s

Q

]

[cm

H

]

[cm



Krzywą przepływu w warunkach ruchu wolnozmiennego w regularnym
korycie rzeki opisuje funkcja o postaci

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Parametry funkcji wyznacza się metodą najmniejszych kwadratów

)

ln(

ln

ln













H

Q

x

a

y







gdzie:

Q

y ln





ln



a

)

ln(





 H

x

Q

y ln



)

ln(





 H

x

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA INŻYNIERSKA

Dla pomiaru numer i

i

i

i

x

a

y











Q

y ln



)

ln(





 H

x

)

ln(

ln

ln

















i

i

i

H

Q

i



i

x

i

y

i

x

a 



Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Dla pomiaru numr i

i

i

i

x

a

y











Q

y ln



)

ln(





 H

x

)

ln(

ln

ln

















i

i

i

H

Q

2

i



i

x

i

y

i

x

a 



Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

i

i

i

x

a

y











Q

y ln



)

ln(





 H

x

)

ln(

ln

ln

















i

i

i

H

Q

2

i



i

x

i

y

i

x

a 



min

,

1

2















a

N

i

i

E

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Metoda najmniejszych kwadratów

min

,

1

2















a

N

i

i

E

min

)

(

,

1

2



















a

N

i

i

i

x

a

y

E

























0

0



E

a

E

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Metoda najmniejszych kwadratów

min

)

(

,

1

2



















a

N

i

i

i

x

a

y

E









































0

)

(

)

(

2

0

)

1

(

)

(

2

1

1

i

N

i

i

i

N

i

i

i

x

x

a

y

x

a

y

















































0

0

1

1

2

1

1

1

N

i

N

i

i

N

i

i

i

i

N

i

i

N

i

i

x

x

a

y

x

x

Na

y

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Metoda najmniejszych kwadratów

















































0

1

1

1

0

1

1

1

1

2

1

1

1

N

i

N

i

i

N

i

i

i

i

N

i

i

N

i

i

x

N

x

N

a

y

x

N

x

N

a

y

N























0

0

2

x

x

a

xy

x

a

y

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Metoda najmniejszych kwadratów























0

0

2

x

x

a

xy

x

a

y

 

2

2

*

x

x

y

x

xy









)

exp(

*

*

x

y 







Wzory końcowe

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Obliczanie przepływów dobowych

H [cm]

Q [m

3

/s]

Współczynniki redukcji letniej i zimowej

H

Q

L

Q

Q

Q

k

L

L



Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

k

L

Współczynniki redukcji letniej

100

200

300

400

500

H [cm]

V

VI

VII

VIII

IX

X

1

0

Data: 15 VII

H = 250 cm

k

L

= 0.58

Q

L

=k

L

Q

Cel i sposób wyznaczania krzywej przepływu.
Obliczanie przepływów dobowych. Współczynniki redukcji letniej i zimowej.

HYDROLOGIA

Współczynniki redukcji zimowej

Q

Z

=k

Z

Q

Sryż

k

Z

= 0.9

Lód brzegowy k

Z

= 0.8

Pokrywa lodowa k

Z

= 0.5

Kra k

Z

= 0.85

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ