12 Wykonywanie pomiarów hydrologicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Joanna Jakubowska-Wójcik

Wykonywanie pomiarów hydrologicznych 311[23].Z3.02

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy,
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
mgr inż. Jolanta Odzimek
dr inż. Magdalena Stawarz

Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Joanna Jakubowska-Wójcik

Konsultacja:
mgr inż. Andrzej Kacperczyk

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[23].Z3.02
„Wykonywanie pomiarów hydrologicznych”, zawartego w modułowym programie nauczania
dla zawodu technik meteorolog.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1.

Organizacja służby hydrologicznej w kraju

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2.

Stany wody

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3.

Prędkość wody

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4.

Natężenie przepływu wody

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o wykonywaniu pomiarów

hydrologicznych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś wcześniej opanować, abyś
bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie będziesz mógł kształtować podczas pracy
z poradnikiem,

−

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do osiągnięcia założonych celów
kształcenia i opanowania umiejętności zawartych w programie jednostki modułowej,

−

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści kształcenia,

−

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz kształtować

umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań testowych. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,

−

literaturę uzupełniającą.
Jeżeli napotkasz na trudności związane ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś

nauczyciela o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność.
Po opanowaniu określonych treści kształcenia spróbuj rozwiązać sprawdzian z zakresu
programu jednostki modułowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

311[23].Z3

Podstawy hydrologii

311[23].Z3.01

Charakteryzowanie wód powierzchniowych i podziemnych

311[23].Z3.02.

Wykonywanie pomiarów hydrologicznych

311[23].Z3.03

Opracowywanie prognoz hydrologicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu nauczania jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

charakteryzować cele i zadania hydrologii,

−

określać zasoby wodne w Polsce i na świecie,

−

charakteryzować elementy bilansu wodnego,

−

charakteryzować zasady tworzenia czasokresu i rodzaje bilansów wodnych,

−

charakteryzować wody powierzchniowe i podziemne,

−

charakteryzować rodzaje źródeł,

−

obliczać wydajność źródła,

−

charakteryzować elementy cieku wodnego,

−

wyznaczać granice zlewni,

−

wyjaśniać pojęcia: odpływ, spływ i przepływ,

−

charakteryzować zjawiska lodowe na rzekach,

−

wyjaśniać proces zarastania koryt rzecznych,

−

określać czynniki wpływające na temperaturę wody w rzekach,

−

określać straty wody na parowanie i infiltrację,

−

charakteryzować rodzaje retencji,

−

określać wpływ retencji na kształtowanie się odpływu rzeki,

−

charakteryzować zanieczyszczenia wód powierzchniowych i podziemnych,

−

dobierać sposoby ochrony zasobów wód powierzchniowych i podziemnych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

—

scharakteryzować organizację służby hydrologicznej w kraju,

—

wyjaśnić pojęcie cyklu hydrologicznego,

—

scharakteryzować

metody,

zakres

częstotliwość

wykonywania

pomiarów

hydrologicznych,

—

wyjaśnić cel i zasady wykonywania pomiarów stanów wody,

—

scharakteryzować wyposażenie posterunku wodowskazowego,

—

zorganizować stanowisko do wykonania pomiarów hydrologicznych,

—

zorganizować pracę zespołu pomiarowego,

—

dobrać przyrządy do pomiaru stanów wody,

—

wykonać pomiary stanów wody,

—

wypełnić dokumentację pomiarów stanów wody,

—

opracować podstawowe krzywe częstości stanów wody, sum czasów trwania oraz wykres
związku wodowskazów,

—

określić cel i zasady wyznaczania przepływu wody w ciekach,

—

wyznaczyć średnią prędkość wody w cieku różnymi metodami,

—

ocenić dokładność wyznaczania prędkości różnymi metodami,

—

sporządzić krzywe rozkładu prędkości w pionach,

—

sporządzić i zinterpretować krzywe rozkładu prędkości,

—

dobrać metody bezpośredniego pomiaru natężenia przepływu wody dla małych cieków,

—

wykonać

pomiary

natężenia

przepływu

wody

określonych

przekrojach

hydrometrycznych,

—

określić zasady pomiaru natężenia przepływu wody techniką ultradźwiękową,

—

opracować wyniki pomiaru przepływu wody metodą Harlachera, metodą Culmanna,

—

sporządzić krzywą konsumpcyjną,

—

dokonać graficznego opracowania wyników pomiarów,

—

określić błędy pomiarów natężenia przepływu wody,

—

wykonać pomiary grubości pokrywy lodowej,

—

opracować wyniki pomiarów hydrologicznych za pomocą specjalistycznych programów
komputerowych,

—

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony środowiska podczas
wykonywania pomiarów i obserwacji stanów i przepływów wody.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Organizacja służby hydrometeorologicznej

4.1.1. Materiał nauczania

Służba hydrometeorologiczna skupiona jest w Instytucie Meteorologii i Gospodarki

Wodnej. Za pośrednictwem swych oddziałów IMGW administruje w całym kraju licznymi
stacjami meteorologicznymi i hydrologicznymi. Ponadto prowadzi obserwacje, zbiera
z terenu i opracowuje materiał obserwacyjny, wykonuje pomiary, a także prowadzi badania
specjalne z zakresu meteorologii, hydrografii i hydronomii. Wynikami tych prac
są zainteresowane różne resorty gospodarki krajowej.

W zależności od rodzaju czynności oraz zakresu prowadzonych badań i obserwacji stacje

meteorologiczne dzieli się na cztery następujące grupy:
—

stacje IV rzędu, zajmujące się wyłącznie pomiarem wielkości opadów (stacje opadowe),

—

stacje III rzędu, mające podobny zakres czynności jak stacje II rzędu z wyjątkiem
pomiaru ciśnienia atmosferycznego (stacje termometryczno-opadowe),

—

stacje II rzędu, wykonujące pomiary temperatury, ciśnienia, opadów, kierunku
i prędkości wiatru, wilgotności, zachmurzenia, widoczności, siły zamieci oraz burz,

—

stacje I rzędu, prowadzące te same pomiary i obserwacje, co stacje II rzędu, a ponadto
wykonujące pomiary stanu warstw atmosferycznych (obserwatoria meteorologiczne).
Obecnie pracują na wszystkich kontynentach i wyspach świata lądowe stacje

obserwacyjne i stacje wykonujące pomiary w swobodnej atmosferze. Na potrzeby
meteorologii wykorzystywane są także statki meteorologiczne i handlowe, zwiadowcze
samoloty meteorologiczne i komunikacyjne oraz satelity i stacje satelitarne. Standardowe
pomiary hydrologiczne prowadzone przez IMGW obejmują wody powierzchniowe, tzn. rzeki
i jeziora, oraz wody podziemne, głównie strefę saturacji. Pomiary te prowadzone są na
stacjach (posterunkach) wodowskazowych na rzekach i jeziorach oraz posterunkach
pomiarowych wód podziemnych. Natomiast wykorzystywane w hydrologii pomiary
meteorologiczne to głównie pomiary standardowe wykonywane na stacjach i posterunkach
meteorologicznych oraz posterunkach opadowych. Wyniki obserwacji i pomiarów zbierane
przez IMGW z terenu całego kraju są opracowywane, publikowane i wydawane w formie
roczników. Roczniki te podają zaobserwowane w każdym roku kalendarzowym stany wód,
wielkość opadów atmosferycznych, wyniki pomiarów przepływów, temperaturę wód
w ściekach i zbiornikach wodnych oraz wód gruntowych, przebieg rocznych zjawisk
lodowych. Oprócz roczników wydawane są także serie wydawnicze i czasopisma, w których
publikowane są wykazy zlewni rzecznych, materiały badawcze oraz wyniki prac naukowych.
Roczniki wydawane przez IMGW:

−

Rocznik hydrologiczny wód powierzchniowych – Wisła,

−

Rocznik hydrologiczny wód powierzchniowych – Odra,

−

Rocznik hydrologiczny wód podziemnych,

−

Wyniki pomiarów hydrometrycznych,

−

Opady atmosferyczne,

−

Rocznik meteorologiczny,

−

Promieniowanie słoneczne.
Serie wydawnicze i czasopisma:

−

Podział hydrograficzny Polski,

−

Materiały badawcze IMGW,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

Przegląd dokumentacji: Meteorologia, Hydrologia i oceanologia, Gospodarka i inżynieria
wodna,

–

Wiadomości IMGW,

–

Biuletyn agrometeorologiczny,

–

Miesięczny przegląd agrometeorologiczny,

–

Gazeta obserwatora.
Prawie każda gałąź gospodarki narodowej w mniejszym lub większym stopniu

korzysta z wyników prac badawczych prowadzonych przez IMGW.

Cykl hydrologiczny

Pod wpływem energii słonecznej i sił ciążenia wody hydrosfery podlegają procesowi

ciągłego krążenia w zamkniętym obiegu zwanym cyklem hydrologicznym. Cykl
hydrologiczny obejmuje trzy główne środowiska przebywania wody: atmosferę, lądy i oceany
(rys. 1). Woda, znajdująca się w atmosferze w stanie gazowym, zmieniając stan skupienia
na ciekły lub stały dostaje się z atmosfery na powierzchnię lądów i oceanów w postaci
opadów, a następnie w wyniku procesu parowania wraca do atmosfery w postaci pary wodnej.
Część opadów dostających się na powierzchnię lądów nie wraca bezpośrednio do atmosfery,
lecz odpływa do oceanów.

Rys. 1. Schemat cyklu hydrologicznego [www.imgw.pl]

Cykl hydrologiczny jest zamkniętym systemem fizycznym, natomiast część lądowa

stanowi jego podsystem, który może być traktowany oddzielnie jako system otwarty
z wejściem z atmosfery w postaci opadów i dwoma wyjściami, jednym w postaci parowania,
a drugim w postaci odpływu rzecznego do oceanów. Jednym z najprostszych sposobów
ilościowego opisu cyklu hydrologicznego jest metoda bilansowania, wynikająca z fizycznej
zasady zachowania masy. Ilość wody dopływającej do określonego miejsca, w określonym
przedziale czasu, równa się ilości wody odpływającej, powiększonej lub zmniejszonej
o zmianę ilości wody retencjonowanej w przestrzeni bilansowania.

Zakres oraz cel pomiarów i obliczeń

Przystępując do projektowania budowli i urządzeń technicznych w korytach rzek i nad

nimi lub w ich dolinach, należy zebrać i szczegółowo opracować dane dotyczące charakteru

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

tych rzek. Podstawą obliczeń hydrologicznych są wyniki prac hydrometrycznych
prowadzonych systematycznie przez służbę hydrologiczną skupioną w IMGW. Do
podstawowych prac hydrometrycznych należą obserwacje stanów wody oraz pomiary
prędkości i natężenia przepływu. Obserwacje stanów wody umożliwiają poznanie
właściwości rzek i są ważną wskazówką do projektowania i wykonywania różnych urządzeń
i budowli melioracyjnych i wodnych. W powiązaniu z obserwacją stanów wody
przeprowadza się pomiary natężenia przepływu. Następnie ustala się zależności między
stanami a przepływami wody i przeprowadza się ich analizę, oblicza wielkości odpływu oraz
objętości fal wezbraniowych.

Opracowania hydrologiczne, zwane też operatem hydrologicznym, w których głównie

należy określić wielkość i szybkość wahań stanów wody i odpowiadające im przepływy,
wielkość odpływu oraz wielkości przepływów charakterystycznych, a niekiedy także wyniki
pomiarów rumowiska rzecznego, stanowią podstawę hydrologiczną projektów budownictwa
melioracyjnego i wodnego. Bez znajomości zagadnień hydrologicznych nie byłoby możliwe
prawidłowe zaprojektowanie budowli regulacyjnych, obwałowań rzek, ujęć wody, budowli
piętrzących, komunikacyjnych i innych, wznoszonych dla celów melioracyjnych, gospodarki
wodnej, komunalnej i rybackiej, komunikacji wodnej, drogowej i kolejowej i innych działów
gospodarki kraju.

Hydrometria to dział hydrologii zajmującej się obserwacją zmian poziomu wód

powierzchniowych i podziemnych oraz form ich zlodzenia. W ramach tego działu
wykonywane są także pomiary głębokości obiektów wodnych, prędkości i natężenia
przepływu wody, temperatury i składu chemicznego wód oraz opadów atmosferycznych
i parowania z powierzchni wody i gruntu.

4.1.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Co oznacza skrót IMGW?

Jak dzielimy stacje meteorologiczne?

Co to jest cykl hydrologiczny?

Jaki jest zakres pomiarów hydrologicznych?

Co to jest operat hydrologiczny?

Czym zajmuje się hydrometria?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na mapie Polski zaznacz podstawowe jednostki organizacyjne służby hydrologiczno-

-meteorologicznej IMGW.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zgromadzić materiały i przybory do wykonania ćwiczenia,

zaplanować tok postępowania,

zaznaczyć podstawowe jednostki organizacyjne służby hydrologiczno-meteorologicznej
IMGW,

zaprezentować pracę na forum grupy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

literatura z rozdziału 6.

Rysunek do ćwiczenia 1

Ćwiczenie 2

Na podstawie dostępnych informacji dokonaj charakterystyki cyklu hydrologicznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zgromadzić materiały i przybory do wykonania ćwiczenia,

zaplanować tok postępowania,

sporządzić rysunek przedstawiający cykl hydrologiczny,

zaznaczyć elementy cyklu hydrologicznego,

wyjaśnić terminy związane z cyklem hydrologicznym,

zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

tablice poglądowe,

—

przybory do pisania,

—

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenia 3

Na podstawie dostępnych źródeł (literatura, Internet) scharakteryzuj metody, zakres oraz

częstotliwość wykonywania pomiarów hydrologicznych. Swoje wnioski wpisz w tabelę.

Metody pomiarów

hydrologicznych

Zakres pomiarów

hydrologicznych

Częstotliwość pomiarów

hydrologicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować

problematykę

rozdziału

poradnika

Organizacja

służby

hydrometeorologicznej (materiał nauczania pkt. 4.1.1),

2) zastosować się do poleceń zawartych w rozdziale,
3) scharakteryzować metody, zakres oraz częstotliwość wykonywania pomiarów

hydrologicznych,

4) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
5) dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

literatura z rozdziału 6.

4.1.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić skrót IMGW?

sklasyfikować podział stacji meteorologicznych?

wyjaśnić pojęcie cyklu hydrologicznego?

określić zakres pomiarów hydrologicznych?

określić, co zawiera operat hydrologiczny?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Stany wody

4.2.1. Materiał nauczania

Stany wody

Stan wody w rzece jest to wzniesienie zwierciadła wody w danym przekroju (profilu)

rzeki ponad przyjęty umownie poziom odniesienia. Do określania wielkości i szybkości
zmian stanów wody w cieku służą urządzenia pomiarowe zwane wodowskazami. Poziom
odniesienia jest to poziom zerowy podziałki na wodowskazie, zwany zerem wodowskazu.
Zero wodowskazu obiera się zwykle poniżej dna koryta rzeki i określa się jego rzędną, czyli
wysokość nad poziomem morza. Miejsce, w którym dokonuje się obserwacji stanów wody,
nazywa się posterunkiem wodowskazowym. Stany wody na wodowskazie odczytuje się
zawsze w centymetrach.

Posterunki wodowskazowe zakładane są na rzekach w charakterystycznych miejscach

zlewni: powyżej i poniżej ważniejszych dopływów i na dopływach w miejscach, w których
poziom wody nie jest zakłócany na przykład spiętrzeniem wody lub też depresją wywołaną
ujęciami wody oraz bliskością ujęcia danego cieku do cieku wyższego rzędu. Także
w miejscach gdzie jest większa liczba małych dopływów lub jeśli między dużymi dopływami
występują znaczne odległości, ewentualne dopływy wpływają istotnie na przepływ wody
w rzece i dlatego odcinek nimi zasilany powinien mieć posterunek wodowskazowy.
Posterunki wodowskazowe zakłada się też przy budowlach wodnych oraz w miejscach,
w których projektuje się wzniesienie budowli.

Przy lokalizacji posterunku wodowskazowego powinny być spełnione następujące

warunki:
–

odcinek rzeki powinien być możliwie prostolinijny,

–

koryto powinno być jednolite i zwarte pod względem geologicznym,

–

dno w pobliżu wodowskazu nie powinno wykazywać większych zmian,

–

przed wodowskazem oraz za nim powinien być jednolity i bez spiętrzeń spadek

zwierciadła wody,

–

powinien być dobry dostęp (dla obserwatora) do wodowskazu przy każdym stanie wody,

–

wodowskaz nie może być uszkadzany przy przepływach wód i spływie lodów.
Każdy posterunek wodowskazowy wyposażony jest przynajmniej w jeden wodowskaz

zwykły (łatowy, palowy, pływakowy). W ważniejszych posterunkach wodowskazowych oraz
w zlewniach badawczych zakłada się dodatkowo wodowskazy samopiszące (limnigrafy),
natomiast w celu kontrolowania stanów wody podczas kulminacji wezbrań, obok zwykłych,
zakłada się wodowskazy maksymalne. Częścią składową posterunku wodowskazowego są
trzy niezależne od siebie repery wodowskazowe, czyli trwałe znaki wysokościowe, żelazne
lub betonowe, stosowane w geodezji. Repery te powinny być osadzone w ścianach budowli
wodnych i innych budowli nadrzecznych lub w gruncie. Repery wodowskazowe powinny być
powiązane z państwową siecią niwelacyjną i mieć określone rzędne (z dokładnością do
1 mm). Na podstawie rzędnych tych reperów określa się rzędną zera wodowskazu.
Rodzaje wodowskazów

Do pomiarów stanów wody stosowane są wodowskazy łatowe, palowe, pływakowe,

samopiszące,

maksymalne

oraz

precyzyjne.

Wodowskazy

łatowe

podziałem

dwucentymetrowym są najczęściej stosowanymi wodowskazami. Zakładane są tak, aby zero
podziałki znajdowało się poniżej najniższego zaobserwowanego stanu wody, a ich wysokość
pozwalała na odczytanie najwyższych stanów wody. Odczyty wodowskazów od zera w górę
są wówczas zawsze dodatnie. Na wodowskazach starych lub w przypadku cieków, w których
dno na skutek erozji uległo w przekroju usytuowania posterunku pogłębieniu, zdarzają się
odczyty ujemne od zera w dół (w kierunku dna).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 2. Łata wodowskazowa umieszczona przy filarze (a); wodowskaz maksymalny z pływakiem sprężynowym,

zatrzymującym się na wysokości maksymalnego stanu wody(b) [7, s. 136]

Służba hydrologiczna w celu ułatwienia obliczania stanów wody obniża wówczas zero

wodowskazowe, zwykle o pełną liczbę metrów.

Wodowskaz łatowy składa się z metalowej lub drewnianej łaty, zaopatrzonej w podziałkę

służącą do odczytywania poziomu zwierciadła wody. Wodowskazy mocuje się do pali
wbitych w dno rzeki lub do budowli, np. filaru mostu, jazu lub bulwaru. Wodowskazy bardzo
często zabezpiecza się przed płynącymi przedmiotami lub spływem lodu budując izbice lub
umieszcza się wodowskazy we wnękach wykonanych w murze budowli.

Rys. 3. Wodowskaz umieszczony na filarze [7, s. 136]

Wodowskazy palowe zakłada się na rzekach nieuregulowanych. Wodowskaz taki składa

się z pali wbitych w dno rzeki i skarpę tak, aby szczyt pierwszego znalazł się poniżej
najniższego możliwego poziomu wody. Pozostałe pale, zaopatrzone w metalowe bolce, wbija
się w skarpę z zachowaniem stałej różnicy wysokości co 50 cm. Obserwacje stanów wody
prowadzi się za pomocą łaty przenośnej. Wodowskaz pływakowy składa się z pływaka
wykonanego z blachy nierdzewnej, linki lub taśmy z podziałem centymetrowym, znaku
mierniczego umieszczonego na pewnej wysokości nad ziemią oraz przeciwwagi (ciężarka)
równoważącej ciężar pływaka. Znak mierniczy może być też umieszczony na lince, a obok

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

niej podziałką. Zero podziałki powinno odpowiadać poziomowi zwierciadła wody, a odczyt
wykonany na podziałce na poziomie znaku mierniczego – wysokości od zwierciadła wody.
Podziałka wodowskazu pływakowego może być również umieszczona na tarczy.

Ze względu na znaczne prędkości wody w rzece pływak umieszcza się zwykle w rurze

osłonowej lub w studni umieszczonej na brzegu, połączonej z wodą w rzece (otwór lub
przewód zamknięty), tak, aby poziomy wody były równe.

Wodowskaz samopiszący (limnigraf) składa się z pływaka oraz połączonego z nim

mechanizmu rejestrującego na taśmie stan wody. Limnigrafy, umieszczone w specjalnych
obudowach (budkach murowanych lub drewnianych), instaluje się na studzienkach
znajdujących się w korycie rzeki lub na brzegu, a połączonych rurociągiem z rzeką,
aby poziom wody w studzienkach i w rzece był taki sam. Zamiast studzienek można też
stosować (zwłaszcza na małych ciekach) rury wkopane w brzeg lub w dno cieku. Pływak
limnigrafu (rys. 4) znajdujący się w studzience (rurze) na powierzchni wody unosi się przy jej
podnoszeniu, a wtedy jego linka (połączona z mechanizmem rejestrującym stany wód) skraca
się. Linka jest u góry nawinięta na bloczek zaopatrzony w zębatkę, z którą połączony jest
przyrząd rysujący na bębnie (obracającym się ze stałą prędkością) linię określającą w każdym
czasie stan wody. Jest to linia ciągła, idąca w górę lub w dół w stosunku do poziomu
w zależności od tego, czy stan wody w rzece wznosi się, czy opada. Limnigrafy podające
stany wody na odległość nazywają się telelimnigrafami.

Wodowskazy maksymalne są to również wodowskazy pływakowe. Wzbierająca woda

podnosi do góry pływak. Pływak zaopatrzony jest w koło zębate z zapadką, która
uniemożliwia ruch pływaka w dół, dzięki czemu można odczytać (nawet po pewnym czasie)
maksymalny stan wody.

Rys. 4. Limnigraf: 1 – bęben, pływakowy, 2 – pływak, 3 – linka, 4 – przeciwwaga, 5 – wodzik

z piórkiem, 6 – bęben rejestrujący z zegarem osadzonym na pionowej osi przyrządu,

7 – prowadnice [7, s. 139]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obserwacje stanów wody

Obserwacje stanów wody dzielą się na zwyczajne i nadzwyczajne. Obserwacje

zwyczajne prowadzone są codziennie rano o ustalonej godzinie (w lecie o szóstej, w zimie
o siódmej) przez obserwatorów. Na małych rzekach, poniżej siłowni wodnych, śluz i innych
budowli zakłócających przepływ wodowskazy obserwowane są trzy razy na dobę.
Obserwacje nadzwyczajne prowadzi się w okresie wezbrań, od momentu, gdy stan wody
osiągnie i przekroczy wysokość stanu alarmowego do czasu obniżenia się go do tego stanu.
Częstość tych obserwacji zależy od charakteru rzeki. Na rzekach nizinnych, o łagodnych
przyborach wody, liczba obserwacji wynosi od 3 do 4 na dobę. Na rzekach górskich
obserwacje prowadzi się, co 3 godziny, a w okresie kulminacji wezbrań, co godzinę, a nawet
częściej. Wraz z rejestrowaniem (w dzienniku wodowskazowym) stanów wody prowadzone
są zapisy zjawisk lodowych, zarastania koryt, stanu pogody (burza, odwilż, mróz), a także
uszkodzeń i innych zmian dotyczących wodowskazu.

Kontrolę położenia zera wodowskazu przeprowadza się niwelacyjnie, co 2 lub 3 lata,

zwykle po zejściu lodów i większych wezbraniach wody. W przypadku zmiany położenia
zera wodowskazu o 2 cm lub więcej, lub zniszczenia wodowskazu, repery umożliwiają
ustawienie go w pierwotnym położeniu.

Opracowanie wyników obserwacji wodowskazowych

Obserwacje wodowskazowe ujęte w formie odpowiednich zestawień służą jako materiał

wyjściowy do badania częstości występowania różnych zjawisk hydrologicznych. Daje
to możliwość wnioskowania o prawdopodobieństwie ich występowania. Ponieważ
rachunkowe opracowanie zebranego materiału obserwacyjnego nie daje przejrzystego obrazu
przebiegu zjawisk hydrologicznych, konieczne jest także ich graficzne przedstawienie.

Rys. 5. Stany wody w rzece Bug – wodowskaz Strzyżów [www.imgw.pl]

Tabela 1. Dane dotyczące stanów wody dla rzeki Bug – stan ostrzegawczy wynosi 600, stan alarmowy wynosi

750 [www.imgw.pl]

Data pomiaru

Godzina pomiaru

Stan wody

Zmiana stanu w ciągu godzin

2000.01.01

7.00

472

2008.01.02

7.00

462

2008.01.03

7.00

456

2008.01.04

7.00

454

2008.01.05

7.00

447

2008.01.06

7.00

438

2008.01.07

7.00

430

2008.01.08

7.00

428

2008.01.09

7.00

430

2008.01.10

7.00

426

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wykresy stanów wody

Wyniki obserwacji wodowskazowych prowadzonych w sposób ciągły można przedstawić

graficznie w postaci wykresów. Na osi rzędnych wyznacza się stan wody, a na osi odciętych,
kolejne dni pewnego okresu (najczęściej jednego roku), w którym dane stany zostały
zaobserwowane. Otrzymany wykres krzywej dobowych stanów wody odzwierciedla charakter
rzeki. Dla dużej rzeki nizinnej linia krzywa ma kształt płynny, bez gwałtowniejszych
wzniesień w wyniku wiosennych wezbrań i wpływu opadów dla rzeki górskiej natomiast
kształt krzywej jest odmienny, ponieważ roztopy i letnie deszcze powodują tu szybkie i duże
wezbrania, po których następuje gwałtowne opadanie zwierciadła wody. Każda rzeka
charakteryzuje się własnym odrębnym typem krzywej, przy czym wykresy wykonane dla lat
suchych będą różne od wykresów dla lat obfitujących w opady. Wykresy krzywej dziennych
stanów wód dla okresów jedno i wielorocznych także różnią się od siebie.

Rys. 6. Wykres codziennych stanów wody rzeki górskiej: rzeka Kamienica Nawojowska, profil Nowy Sącz

[7, s. 142]

Krzywa częstości stanów wody

Do projektowania i wykonania budowli wodnych na rzekach oraz ustalania (na potrzeby

eglugi) odpowiadających danemu okresowi głębokości potrzebna jest znajomość częstości

występowania określonych stanów wody w rzece. Projektując budowle wodne określa się,
jakie stany wody występują w rzece i czy wyższe wody nie będą podmywały budowli
położonych nad rzekami, zagrażając ich stałości. Także towary znajdujące się w magazynach
portowych mogą nawet po stosunkowo krótkim czasie znajdowania się pod wodą ulec
zniszczeniu.

W niektórych wypadkach lokalizowanie budowli nadrzecznych w odpowiednio wysokim,

nie podlegającym zalewowi miejscu byłoby zbyt kosztowne w stosunku do szkód, jakie
mogłoby spowodować okresowe zalanie wodą. Projektuje się wówczas budowle na terenach
dogodniejszych, ale niższych, z góry przewidując zalewanie ich, co pewien czas (dłuższy lub
krótszy – w zależności od ważności budowli). Na podstawie codziennych stanów wody
w rzece oraz częstotliwości możemy wykreślić wykres częstości stanów wody.

Wykres wykonuje się w sposób następujący. Na podstawie tabel codziennych stanów

wody (zestawionych w Rocznikach hydrologicznych wód powierzchniowych) sporządza się
tabele częstości stanów wody dla pewnego okresu. W tabelach codziennych stanów wody dla
rozpatrywanego okresu wyszukuje się stany najwyższy i najniższy i z ich różnicy określa się
obszar zmienności, to jest obszar, w którym występują wahania stanów wody. Obszar ten
dzieli się na przedziały, np. o wielkości 10 cm. Następnie z tabel codziennych stanów wody
oblicza się liczbę zawartych w tych przedziałach spostrzeżeń.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Aby wykonać wykres częstości stanów wody dla wodowskazu znajdującego się na rzece

Kamienicy Nawojowskiej – profil Nowy Sącz w okresie roku hydrologicznego od listopada
1983 do października 1984 należy najwyższy zaobserwowany w tych miesiącach stan wody
242 cm, najniższy 114 cm nanieść na wykres. Liczbę spostrzeżeń zawartych w tym obszarze
zmienności określa się z liczby spostrzeżeń w każdym miesiącu. Dla omawianego okresu
wynosi ona 365 spostrzeżeń (raz na dobę). Na osi rzędnych odkłada się stany wody w odstę-
pach 10 cm, na osi odciętych liczbę spostrzeżeń o stanach wody. Poszczególne punkty łączy
się ze sobą i w ten sposób otrzymuje się żądany wykres częstości.

Krzywa sum czasów trwania stanów wody

Ważną czynnością przy wykonywaniu budowli wodnej jest określenie liczby dni

Rys. 9. Krzywa częstości stanów wody [www.imgw.pl]]

Krzywa sum czasów trwania stanów wody

Ważną czynnością przy projektowaniu budowli wodnej jest określenie liczby dni

utrzymywania się w badanym okresie pewnego stanu wody wraz ze stanami wyższymi lub
niższymi. Budowle regulacyjne takie jak tamy podłużne i ostrogi można wykonywać przy
stanach poniżej 0,5 m od ich korony – przy stanach wyższych płynąca woda utrudnia lub
uniemożliwia prowadzenie robót.

Planując roboty na określonym odcinku należy ustalić ile czasu w ciągu roku potrzeba na

ich wykonanie. W tym celu służy krzywa sum czasów trwania stanów wody, którą wykreśla
się za pomocą tabeli częstotliwości. Na osi odciętych wyznacza się odcinek przedstawiający
365 dni (przez ten okres trwał najniższy stan wraz ze stanami wyższymi), od których

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

odejmuje się liczbę dni utrzymywania się stanu bezpośredniego wyższego. W przykładzie
wzięto pod uwagę 59 dni (tabela częstotliwości), a więc stan bezpośrednio wyższy od
najniższego wraz ze stanami wyższymi trwał przez 365-59=306 dni. W ten sposób otrzymuje
się drugi punkt krzywej. Postępując w dalszym ciągu w ten sposób, otrzymuje się w układzie
współrzędnych szereg punktów, tworzących po połączeniu krzywą sum czasów trwania
stanów wody wraz z czasem trwania stanów wyższych. Krzywą sum czasów trwania stanów
wraz z niższymi sporządzamy na podstawie częstości stanów wody nanosząc w układzie
współrzędnych czasy trwania stanów razem ze stanami niższymi.

Wykres związku wodowskazów

Zależność między odczytami dwóch wodowskazów można określić z wykresu związków

wodowskazów. W tym celu na osi odciętych w prostokątnym układzie współrzędnych stan
wody na I wodowskazie, a na osi rzędnych – stan wody na II wodowskazie. Stany te muszą
być odczytane przy ustalonym zwierciadle wody w rzece lub przy kulminacji tej samej fali.
Stany wody na wodowskazach I i II korespondują ze sobą wtedy, gdy na wodowskazie I dany
stan wody występuje o czas t – przejścia wody między dwoma wodowskazami, wcześniej niż
na wodowskazie II. Na wykres nanosi się stany ze sobą korespondujące. Poszczególne punkty
oznaczone na wodowskazie I i II nie leżą na krzywej, lecz dają pewien rozrzut. Miedzy tymi
punktami wykreśla się najbardziej odpowiadającą im krzywą. Związek wodowskazów nie
zawsze można przedstawić w postaci linii prostej. W praktyce stosuje się często wyrównanie
za pomocą dwóch lub więcej prostych. Za pomocą wykresu związku wodowskazów można
kontrolować odczyty sąsiednich wodowskazów, uzupełniać ewentualne braki w obserwacjach
wodowskazowych, badać stałość koryta rzeki, sprawdzać, czy nie nastąpiło naruszenie zera
wodowskazowego oraz przewidywać zmiany mogące nastąpić w stanach wody.

Rys. 8. Wpływ kształtu profilu poprzecznego rzeki na związek dwóch wodowskazów: a) kształty profilów,

b) krzywa związku wodowskazów [8, s. 195]

Stany charakterystyczne i okresowe

Stany wody w przekroju rzecznym ulegają ciągłym zmianom. Zadaniem służby

hydrologicznej

jest

badanie

tej

zmienności

oraz

ustalanie

wielkości

stanów

charakterystycznych w badanym okresie. Wielkości stanów wód, ich krańcowe absolutnie
maksymalne i absolutnie minimalne wartości oraz trwające w pewnych okresach roku stany
okresowe wpływają w zasadniczy sposób na projektowanie i wykonawstwo budowli
wodnych. Umiejętność przewidywania pojawienia się stanów najwyższych jest szczególnie
potrzebna przy projektowaniu urządzeń, które z natury rzeczy powinny znajdować się blisko
koryta cieku (projektowanie wysokości posadowienia magazynów portowych, wysokości
bulwarów i dróg dojazdowych).

Stany średnie i okresowe mają znaczenie w transporcie wodnym; ich długość trwania

warunkuje okres nawigacji na rzece. Stany najniższe mają wpływ na projektowanie
i wykonywanie budowli służących do zaopatrywania osiedli w wodę. Ujęcia wodociągowe
muszą być projektowane i wykonywane tak, aby gwarantowały dostarczanie odpowiedniej
ilości wody w sposób ciągły, bez przerw spowodowanych obniżaniem się jej zwierciadła

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w rzece. Spośród obserwowanych stanów wody dla jednostkowych okresów obserwacyjnych
(miesiąc, rok, okres wegetacji) rozróżnia się stany główne I stopnia: najwyższe, najniższe
oraz przeciętne – średnie i zwyczajne.

Rys. 9. Zestawienie stanów charakterystycznych dla rzeki Odry –wodowskaz Gozdowice [www.imgw.pl]]

redni stan wody jest średnią arytmetyczną codziennych stanów wody, natomiast

zwyczajny odpowiada wartości stanu środkowego w szeregu uporządkowanym według
wielkości stanów (środkowy w obszarze zmienności stanów wody). Stany główne I stopnia
ustalone dla szeregu lat po sobie następujących tworzą serię obserwacyjną stanów głównych.
W każdej serii można rozróżnić stan maksymalny, minimalny, średni i środkowy. W ten
sposób w przedziałach głównych I stopnia można wyznaczyć charakterystyczne stany, które
noszą nazwę stanów głównych II stopnia. Rozróżnia się 16 stanów II stopnia. Do oznaczenia
charakterystycznych stanów przyjęto następujące skróty literowe:
a) stany główne I stopnia:

−

WW − stan najwyższy,

−

SW − stan średni,

−

ZW − stan zwyczajny,

−

NW −

stan najniższy,

Rys. 10. Podział na stany: wysokie, średnie i niskie [7, s. 149]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

b) stany główne II stopnia (najczęściej stosowane w opracowaniach hydrologicznych):

−

WWW − stan najwyższy spośród najwyższych stanów wody (najwyższa wielka
woda),

−

SWW − stan średni spośród najwyższych stanów wody (średnia wielka woda),

−

ZWW − stan zwyczajny spośród najwyższych stanów wody (zwyczajna wielka
woda),

−

SSW − średni spośród średnich stanów wody (średnia woda),

−

ZZW − zwyczajny spośród zwyczajnych stanów wody (zwyczajna woda),

−

SNW − średni spośród najniższych stanów wody (średnia niska woda),

−

ZNW − zwyczajny spośród najniższych stanów wody (zwyczajna niska woda),

−

NNW − najniższy spośród najniższych stanów wody (najniższa niska woda).

Stany oznaczone tłustym drukiem publikowane są w Rocznikach hydrologicznych. Obok

symboli oznaczających stan wody umieszcza się symbole literowe oznaczające okres
obserwacji w ciągu roku oraz lata obserwacji.

Pomiary temperatury wody

Do pomiaru temperatury wody używane są termometry, na których można odczytać

temperaturę z dokładnością do 0,1°C. Termometry umieszczane są w obudowie metalowej
chroniącej przed stłuczeniem i zaopatrzonej u dołu w zbiorniczek, który wypełnia się wodą.
Zbiorniczek ma na celu otoczenie termometru pewną masą wody, co zapobiega szybkiej
zmianie wskazań termometru przy wciąganiu go na powierzchnie, zanim zdążymy dokonać
odczytu. Oprócz termometrów rtęciowych bywają stosowane termometry elektryczne oparte
na zasadzie zmiany przewodnictwa elektrycznego pod wpływem zmian temperatury. Mają
one tę zaletę, że odczyt temperatury odbywa się na przyrządzie znajdującym się nad wodą,
gdy właściwy termometr (czujnik) znajduje się w punkcie, w którym dokonuje się pomiaru.

Termometry do pomiaru temperatury wody mają skalę o różnych rozpiętościach, gdyż

dokonujemy pomiarów temperatury w lecie a także w czasie zjawisk lodowych. W wodach
płynących temperatury w przekroju rzeki są dość wyrównane. Niekiedy występują jednak
znaczne nieregularności w rozkładzie temperatur, spowodowane np. dopływem wód
gruntowych o innej ciepłocie albo zrzutami podgrzanej wody z zakładów przemysłowych
lub wody chłodniczej z elektrowni.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Co oznacza pojęcie stan wody rzece?

Co to jest zero wodowskazu?

Jak nazywa się miejsce, w którym dokonuje się obserwacji stanów wody?

W co powinien być wyposażony posterunek wodowskazowy?

Jakie przyrządy służą do wykonania pomiarów stanów wody?

Kiedy wykonuje się obserwacje stanów wody?

Co to jest dziennik wodowskazowy?

Co to jest krzywa częstości stanów wody?

Jakie zależności przedstawia wykres związku wodowskazów?

10.

Jaką rolę pełni służba hydrologiczna?

11.

W jaki sposób przeprowadzany jest pomiar temperatury wody?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zaprowadź dziennik wodowskazowy. Prowadź obserwacje stanów wody, zjawisk

lodowych, zarastania koryt, stanu pogody, a także uszkodzeń i innych zmian dotyczących
stanu wodowskazu.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeczytać treść rozdziału Stany wody (materiał nauczania pkt. 4.2.1),

zaprowadzić dziennik wodowskazowy,

prowadzić i rejestrować obserwacje stanów wody, zjawisk lodowych, zarastania koryt,
stanu pogody, a także uszkodzeń i innych zmian dotyczących stanu wodowskazu.

zaprezentować wykonane ćwiczenie,

dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

dziennik wodowskazowy,

—

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Na podstawie tabel codziennych stanów wody (zestawionych w Rocznikach

hydrologicznych wód powierzchniowych) opracuj krzywą częstości stanów wody dla okresu
od listopada 2001 do października 2002 ( roku hydrologicznego) dla dowolnego wodowskazu
znajdującego się na rzece Bug.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wyszukać w literaturze informacji dotyczącej wykonywania krzywej częstości stanów
wody,

przygotować tabele częstości stanów wody,

wyszukać stan najwyższy i najniższy,

obliczyć różnicę stanów tzw. obszaru zmienności,

podzielić obszar zmienności na przedziały o wielkości 10 cm,

obliczyć z tabel codziennych liczbę zawartych w tych przedziałach spostrzeżeń,

narysować wykres,

przeanalizować z kolegami swoje spostrzeżenia i uwagi.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

papier milimetrowy,

—

Rocznik hydrologiczny wód powierzchniowych,

—

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Opracuj wykres związku wodowskazów dla wybranych posterunków wodowskazowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować treść rozdziału Stany wody (materiał nauczania pkt. 4.2.1),

opracować wykres związku dwóch wodowskazów,

nanieść na układ współrzędnych stan wody na I wodowskazie (oś odciętych), na osi
rzędnych stan wody na II wodowskazie,

narysować prostą między otrzymanymi punktami,

przeanalizować z kolegami swoje spostrzeżenia i uwagi,

dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

papier milimetrowy,

—

tablice poglądowe,

—

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Wykonaj krzywe wodowskazowe z zaznaczeniem stanów charakterystycznych:

minimalnego, średniego i maksymalnego dla danego okresu hydrologicznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeczytać treść rozdziału Stany wody (materiał nauczania pkt. 4.2.1),

opracować wykres krzywej wodowskazowej,

zaznaczyć stany charakterystyczne: minimalny, średni i maksymalny dla danego okresu
hydrologicznego,

przeanalizować z kolegami swoje spostrzeżenia i uwagi,

dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

papier milimetrowy,

—

tablice poglądowe,

—

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić pojęcie stan wody w rzece?

wyjaśnić pojęcie zero wodowskazu?

wskazać miejsce, w którym dokonuje się obserwacji stanów wody?

określić, z jakich elementów składa się posterunek wodowskazowy?

sklasyfikować przyrządy służące do pomiarów stanów wody?

określić termin wykonywania obserwacji stanów wody?

wypełnić dokumentację stanów wody?

wyjaśnić pojęcie krzywej częstości stanów wody?

zinterpretować

zależności

wynikające

wykresu

związku

wodowskazów?

10)

określić zadania służby hydrologicznej?

11)

wyjaśnić sposób pomiaru temperatury wody?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Prędkość wody

4.3.1. Materiał nauczania

Prędkość wody w korytach otwartych można mierzyć za pomocą pływaków, młynków

hydrometrycznych, dynamometrów. Młynki hydrometryczne stosowane są do pomiarów
prędkości przepływu wody w dowolnych punktach przekroju poprzecznego koryta.
Dynamometry stosowane są do pomiarów punktowych, zwłaszcza powierzchniowych
podczas wezbrań wody. Pływaki są bardzo prostymi przyrządami. Wykonane są najczęściej
z drewna. Mają postać krążka lub krzyżaka zbitego z desek. Mogą być nimi też butelki
częściowo wypełnione wodą. Pływaki służą do odcinkowych i powierzchniowych pomiarów
prędkości przepływu wody (na podstawie przebytej drogi i czasu przepływu pływaka na
badanym odcinku). Poruszają się one z prędkością odpowiadającą powierzchniowej prędkości
wody. Wymiary pływaków zależą od rozmiarów koryta rzecznego. Aby były lepiej widoczne,
umieszcza się na nich chorągiewki.

Rys. 11. Pływaki do pomiaru powierzchniowej prędkości wody [7, s. 152]

Pomiaru dokonuje się w następujący sposób. Pływak umieszcza się w nurcie rzeki,

a następnie mierzy się długość jego drogi L oraz czas jej przebycia T. Prędkość v uzyskuje się
dzieląc L przez T. Zmierzoną prędkość powierzchniową można w przybliżeniu uważać
za największą w danym przekroju poprzecznym cieku.

Młynki hydrometryczne różnią się od siebie kształtem korpusu, skrzydełek,

mechanizmem liczącym obroty, mechanizmem sygnalizującym, sposobem zawieszenia oraz
innymi szczegółami. Młynki starszego typu zaopatrzone są w urządzenia elektryczne
sygnalizujące liczbę obrotów skrzydełek. Urządzenie elektryczne składa się z baterii
i dzwonka umieszczonego nad wodą (często w skrzynce młynka), przewodu łączącego baterię
z korpusem młynka oraz ze sprężynką kontaktową umieszczoną wewnątrz niego. Młynki
są tak skonstruowane, że sygnały następują (sprężynka kontaktowa zamyka obwód
elektryczny dzwonek dzwoni) co 20, 50 lub 100 obrotów na osi, na której umieszczone
są napędzane przez wodę skrzydełka. Młynki o najnowszej konstrukcji wyposażone są
w elektroniczne sygnalizatory czasu i liczby obrotów skrzydełek. Znając liczbę pełnych
obrotów i czas (mierzony stoperem), w jakim one wystąpiły, można obliczyć liczbę obrotów
na sekundę.

Do najbardziej rozpowszechnionych dynamometrów zalicza się rurkę Pitota i kulę

hydrometryczną. Działanie ich polega na mierzeniu wartości parcia hydrodynamicznego
wywieranego na przyrząd przez płynącą wodę. Rurka Pitota zbudowana jest z dwóch
przewodów rurowych: pierwszy skierowany jest w kierunku przeciwnym do przepływu wody,
drugi w dół. Parcie hydrodynamiczne w rurce o otworze skierowanym pod prąd powoduje
wzniesienie słupa wody w stosunku do drugiego otworu rurki pionowej. Rurki Pitota są
stosowane głównie w laboratoriach wodnych.

Kula hydrometryczna określa prędkość powierzchniową wody na podstawie kąta

odchylania się linki, na której zawieszona jest kula, od pionu. Określanie prędkości

za pomocą kuli jest mniej dokładne od pomiarów młynkami hydrometrycznymi. Kula

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ma jednak tę zaletę, że jest łatwa w użyciu i tania. Pomiar prędkości za pomocą kuli może
być stosowany przede wszystkim podczas wezbrań, zwłaszcza w rzekach górskich, których
wezbrania są gwałtowne i krótkotrwałe oraz w czasie spływu kry lodowej.

Rys. 12. Schemat pomiaru prędkości wody kulą hydrometryczną [7, s. 155]

Sposoby pomiaru prędkości wody

Istnieją trzy sposoby pomiaru prędkości wody:

—

bezpośredni punktowy – w poszczególnych punktach przekroju,

—

bezpośredni odcinkowy – na pewnym odcinku cieku,

—

pośredni – pomiar spadku zwierciadła wody na pewnym odcinku i obliczenie jej
prędkości na podstawie wzorów.
Najdokładniejszy jest pomiar punktowy bezpośredni (pośredni obarczony jest

największymi błędami). Zależnie od stopnia wymaganej dokładności stosuje się następujące
pomiary bezpośrednie:

—

zupełne – w całym przekroju badanym (w różnych punktach),

—

skrócone – w niektórych punktach przekroju,

—

powierzchniowe – na powierzchni lub też pod powierzchnią zwierciadła wody.

Pomiary zupełne wykonuje się przeważnie za pomocą młynków hydrometrycznych;

obejmuje się wówczas pomiarem cały przekrój poprzeczny cieku.

Pomiary skrócone polegają na pomiarze prędkości wody na poszczególnych

głębokościach, w których wartości prędkości odpowiadają średnim prędkościom w pionach
hydrometrycznych

(pionowych

wycinkach

przekroju

poprzecznego,

różniących

się głębokościami). Średnie prędkości występują w przybliżeniu na 0,4 h, gdzie h − głębokość
wody w miejscu pomiaru mierzona od dna. Pomiary skrócone zajmują mało czasu i mogą być
stosowane wówczas, gdy nie jest wymagana duża dokładność.

Pomiary powierzchniowe stosuje się rzadko. Wykonuje się je wtedy, gdy z powodu

szybko zmieniającego się stanu wody lub spływu kry lodowej nie można wykonać pomiarów
zupełnych.

Pomiar prędkości przepływu

Przystępując do pomiaru prędkości przepływu wody należy przede wszystkim wybrać

odpowiednie do tego miejsce. Będzie nim przekrój poprzeczny cieku, zwany
hydrometrycznym, odpowiadający następującym warunkom:
1)

przekrój koryta – zwarty, regularny, prostopadły do linii brzegów, usytuowany
na prostym odcinku cieku,

ruch wody w obranym przekroju – jednostajny, o strugach płynących równolegle
względem siebie,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przekrój hydrometryczny – odniesiony do stacji wodowskazowej, przepływy obliczone
w wyniku pomiarów – powiązane z odpowiadającymi im na wodowskazach stanami
wody.
Wybór przekroju hydrometrycznego na zwartym odcinku koryta jest konieczny ze

względu na możliwość wykonywania pomiaru przy niskich stanach.

Rys.13. Przekrój hydrometryczny cieku [7, s. 157]

Przekrój hydrometryczny powinien być w zasadzie umiejscowiony w pobliżu

wodowskazu, może być od niego oddalony

;

jeśli na danym odcinku nie ma dopływów

powodujących zmiany przepływów, a tym samym – stanów wody przy wodowskazie. Po
wybraniu miejsca przekroju hydrometrycznego określa się punkty, w których będzie
się mierzyć prędkość wody. Wybiera się je tak, aby zmierzone prędkości dały całkowity obraz
ich rozkładu w badanym przekroju cieku. W tym celu nad korytem przerzuca się i naciąga za
pomocą kołowrotka wyskalowaną linię pomiarową, a następnie wykonuje się pomiary
głębokości dna za pomocą specjalnych sond (drążki metalowe lub drewniane, linki
z ciężarkami, rurki blaszane). Sondowanie wykonuje się w odstępach co 0,1 – 0,5 lub 1,0 m
w małych ciekach i co 5 lub 10 m w ciekach dużych; głębokość mierzy się tym „gęściej", im
koryto rzeki jest mniej regulowane. Na

podstawie

wyników

pomiaru

głębokości

i odpowiadających im odległości od brzegu wykreśla się przekrój poprzeczny cieku. Jeżeli
jest on regularny na przykład uregulowana rzeka, kanał, rów, pomiar prędkości można
wykonywać w pionach hydrometrycznych w jednakowych odstępach. W korytach
nieuregulowanych piony zakłada się w miejscach charakterystycznych, jakimi są największe
głębokości i załamania dna. Pomiary prędkości prowadzi się w każdym pionie
hydrometrycznym w pięciu poziomach: przy dnie, na głębokości 0,2 h, 0,4 h, 0,8 h
i pod powierzchnią

zwierciadła

wody.

Podczas

mierzenia

prędkości

przy

dnie

i pod powierzchnią zwierciadła wody skrzydełka młynka hydrometrycznego nie mogą
dotykać ani wystawać nad wodę. W czasie pomiaru należy prowadzić w poszczególnych
pionach szkice tachoid krzywych rozkładu prędkości w celu natychmiastowego wykrycia
ewentualnych błędów i pomyłek.

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

W jaki sposób mierzy się prędkość wody w korycie rzecznym?

Jakie są sposoby pomiaru prędkości wody?

Co to jest przekrój hydrometryczny cieku?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj przyrządy do pomiaru prędkości wody. Uzupełnij tabelę.

Przyrząd do pomiaru prędkości
wody

Budowa

Młynki hydrometryczne

Pływaki hydrometryczne

Rurka Pitota

Kula hydrometryczna

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeczytać treść rozdziału Prędkość wody (materiał nauczania pkt. 4.3.1),

scharakteryzować przyrządy do pomiaru prędkości wody,

uzupełnić tabelę,

dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

przyrządy do pomiaru prędkości wody,

—

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Wyznacz średnią prędkość wody. Dokonaj pomiaru prędkości wody stosując pływaki

i pomiary pływakowe.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeczytać treść rozdziału Prędkość wody (materiał nauczania pkt. 4.3.1),

wyznaczyć średnią prędkość wody za pomocą pływaka,

umieścić pływak w nurcie rzeki,

zmierzyć długość drogi L oraz czas jej przebycia T,

obliczyć prędkość v dzieląc L przez T,

zaprezentować wyniki pracy na forum grupy,

dokonać oceny poprawności.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

pływaki,

—

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Pomiar prędkości wody w określonym przekroju poprzecznym przedstaw za pomocą

tachoidy oraz izotach.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać treść rozdziału Prędkość wody (materiał nauczania pkt.4.3.1),
2) przeprowadzić pomiar prędkości w różnych punktach przekroju poprzecznego,
3) przedstawić prędkość za pomocą krzywej tachoidy,
4) wykreślić izotachy na podstawie otrzymanych punktów tachoidy,
5) zaprezentować wyniki pracy na forum grupy,
6) dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

pływaki,

—

literatura z rozdziału 6.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić sposób pomiaru prędkości wody w korycie rzecznym?

wyjaśnić pojęcie – przekrój hydrometryczny cieku?

rozróżnić sposoby pomiaru prędkości wody?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Natężenie przepływu wody

4.4.1. Materiał nauczania

Pomiary natężenia przepływu

Pomiar natężenia przepływu można wykonać metodami pośrednimi lub w sposób

bezpośredni. Metody pośrednie obliczania przepływu wody polegają na pomiarze
powierzchni przekroju poprzecznego cieku i wyznaczeniu w nim średniej, prędkości wody.
Obie te wielkości powinny być pomierzone przy tym samym stanie wody w cieku. Znając ich
wielkość można obliczyć natężenie przepływu wody w cieku o dowolnej wielkości.
Bezpośrednie pomiary natężenia przepływu wody polegają na pomiarze całkowitego
przepływu w rozpatrywanych przekrojach, bez jakichkolwiek pomiarów wielkości
pośrednich. Można je stosować przy niewielkich przepływach.

Pośrednie pomiary natężenia przepływu

Obliczanie natężenia przepływu wzorami hydraulicznymi. Przy pośrednim pomiarze

prędkości wody w cieku, tj. pomiarze spadku zwierciadła wody, prędkość przepływu oblicza
się za pomocą różnych wzorów hydraulicznych. Obliczanie natężenia przepływu na
podstawie pomiarów zupełnych. Po wykonaniu zupełnego pomiaru prędkości przepływu
przystępuje się do obliczania natężenia przepływu za pomocą jednej z trzech metod:
–

rachunkowej Harlachera,

–

wykreślnej Harlachera,

–

wykreślnej Culmanna.

Obliczanie objętości przepływu metodą rachunkową Harlachera ma następujący

przebieg:
1)

wykreślenie przekroju poprzecznego koryta cieku z zaznaczeniem cyframi rzymskimi
pionów hydrometrycznych,

obliczenie powierzchni pól zawartych między poszczególnymi pionami,

obliczenie średnich prędkości w pionach: powierzchnie splanimetrowanych pól,
ograniczonych przez tachoidy, dzieli się przez głębokości w poszczególnych pionach,

obliczenie średnich prędkości w poszczególnych polach jako średnich arytmetycznych
z dwóch prędkości średnich obliczonych w pionach ograniczających dane pole, dla pól
skrajnych, prędkości średnie przyjmuje się w zależności od charakteru brzegów:
dla nieznacznie pochyłego brzegu o gładkim podłożu przyjąć można 2/3 prędkości
w pionie,

obliczenie przepływów częściowych przez pomnożenie powierzchni pól przez
odpowiadające im średnie prędkości,

zsumowanie przepływów częściowych i otrzymanie całkowitego przepływu w cieku
w chwili pomiaru; w czasie wykonywania obliczeń sporządza się zestawienie wyników.
Przepływ można obliczyć metodą przybliżoną mnożąc powierzchnię przekroju

poprzecznego F przez średnią prędkość v

w pionach.

Obliczanie przepływu metodą wykreślną Harlachera polega na:

wykreśleniu przekroju poprzecznego cieku i oznaczeniu (jak w metodzie rachunkowej)
pionów hydrometrycznych,

wykreśleniu w każdym pionie krzywych prędkości i obliczeniu dla każdego z nich
prędkości średnich (jak w metodzie rachunkowej),

odłożeniu w każdym pionie w górę od linii zwierciadła wody odcinków odpowiadających
prędkościom średnim w pionach,

wykreśleniu krzywej prędkości średnich przez końce pionowych odcinków,

obliczeniu w każdym pionie iloczynów głębokości i prędkości średniej (q = t- v

)

i odłożeniu ich od linii zwierciadła wody w dół,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wykreśleniu przez końce tych odcinków krzywej przepływu,

obliczeniu (przez planimetrowanie) powierzchni ograniczonej krzywą przepływu i linią
zwierciadła wody.

Rys. 14. Przekrój poprzeczny koryta do obliczenia przepływu metodą Harlachera [7, s. 161]

Prędkości średnie oraz iloczyn ich głębokości odkłada się w przyjętej skali. Istota metody

wykreślnej Harlachera polega na sporządzaniu krzywej prędkości obrazującej wartość
prędkości w każdym punkcie przekroju oraz na wykreślaniu na podstawie krzywej prędkości
krzywej ograniczającej powierzchnię przepływu. Powierzchnia ta wyznacza przepływ
całkowity. Przyjmując różne wartości stałej a, obserwujemy zmieniające się pole krzywej
przepływu. Wynika stąd, że stała Harlachera jest wartością ujmującą zależność między
wielkością przepływu przypadającą na jednostkę pola krzywej przepływu a wielkościami
skali: prędkości i głębokości. Obliczanie przepływu metodą wykreślną Culmanna polega na:
1)

wykreśleniu przekroju poprzecznego jak w innych metodach,

wykreśleniu izotach (linii jednakowych prędkości) w pewnych odstępach, np. 0,1 m/s,
0,5 m/s,

obliczeniu (przez planimetrowanie) powierzchni pól między izotachami.

Rys. 15. Wykres do obliczania przepływu metodą Culmanna [7, s. 162]

Przepływ całkowity otrzymuje się sumując iloczyny prędkości średnich, poszczególnych

pól przez ich powierzchnie. Wynik obliczeń zestawia się w tabeli. Prędkości dla pól leżących
tuż przy dnie, przyjmuje się jako średnią dennej równej 0 i wartości izotachy ograniczającej
tę powierzchnię.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obliczanie przepływu na podstawie pomiarów niezupełnych.

Jeśli nie zależy nam na większej dokładności pomiaru lub trzeba go wykonać

w stosunkowo krótkim czasie, np. w okresie szybko zmieniających się stanów wody, stosuje
się niezupełny pomiar prędkości. Można posługiwać się w tym celu młynkiem
hydrometrycznym, pływakami lub kulą. W przypadku użycia młynka prędkości mierzy się
w pionie w jednym, dwóch lub trzech punktach. Prędkość w jednym punkcie przekroju
mierzy się na głębokości 0,4 od dna, gdyż na tej głębokości w przybliżeniu odpowiada ona
ś

redniej

w pionie. Przy pomiarze w dwóch punktach mierzy się prędkość na głębokości

0,2 i 0,8 h, a prędkość średnią w pionie przyjmuje się jako średnią arytmetyczną. Zasada
opracowania wyników pomiarów niezupełnych nie różni się od zasady opracowywania
wyników zupełnych.

Obliczanie przepływu na podstawie pomiarów powierzchniowych

Prędkości powierzchniowe pływakiem lub kulą hydrometryczną należy mierzyć

w różnych punktach przekroju poprzecznego i traktować je jako śred

nie

w pionach.

Bezpośrednie pomiary natężenia przepływu wody

Istnieje wiele metod bezpośredniego pomiaru przepływu. W przypadku małych cieków

stosuje się naczynia i zbiorniki cechowane oraz przepływomierze, do których należą głównie
przelewy i koryta pomiarowe. Jeśli pomiar przy ich użyciu nie jest możliwy, stosuje
się metody: chemiczną, termometryczną lub kolorymetryczną. Pomiary za pomocą naczyń
i zbiorników cechowanych, choć proste i dokładne, są stosowane tylko w przypadku małych
ilości wody (przy określaniu wydatku źródeł, odpływu wody z wylotów drenarskich, przy
pomiarach laboratoryjnych). Polegają one na doprowadzeniu całkowitego przepływu do
naczynia (wiadra) lub wycechowanego zbiornika o znanej pojemności i zmierzeniu stoperem
czasu jego napełnienia. Zbiorniki wycechowane są tak, że każdemu poziomowi wody
odpowiada określona objętość. Do pomiarów laboratoryjnych stosuje się zbiorniki
z cechowanymi otworami umieszczonymi w dnie lub w ścianie bocznej; pozwala to na
obliczanie ilości wypływającej wody za pomocą wzorów, których współczynniki zostały
określone doświadczalnie.

Do pomiaru natężenia przepływu (zwłaszcza w dłuższym okresie) służą też korytka

wywrotne o znanej objętości. Wykonuje się je przeważnie z blachy i umieszcza tak,
by po przechyleniu się wokół poziomej osi wylała się z nich cała zawartość wody.
Przechylenie się korytek z jednej na drugą stronę następuje samoczynnie pod wpływem
ciężaru wody (w momencie, gdy osiągnie ona określony poziom). Liczbę napełnień, można
mierzyć automatycznie za pomocą zainstalowanego na osi korytka licznika obrotów.

Przelewy pomiarowe są to przegrody zainstalowane w korycie pomiarowym; są one

wykonane (z blachy lub innego materiału) tak, by ich krawędzie (lub najniższy punkt
przelewu trójkątnego) umieszczone były nad zwierciadłem wody poniżej przelewu. Ponieważ
powierzchnia przelewu jest wielkością stałą, przepływ zależy od wysokości wzniesienia
zwierciadła wody nad krawędzią przelewową. Zależność tę ustala się dla każdego przelewu
oddzielnie, sporządzając wykresy. Wykonanie pomiaru polega na odczytaniu wysokości
zwierciadła wody na wodowskazie umieszczonym w pewnej odległości przed przelewem
i wielkości przepływu z wykresu. Wykres zależności przepływu od wzniesienia zwierciadła
wody nad koroną przelewu sporządza się w czasie jego tarowania. Jeżeli przelew nie jest
wytarowany, do obliczania przepływu stosuje się wzory hydrauliczne. Do najczęściej
stosowanych należą przelewy cienkościenne niezatopione, przy których poziom dolnego
zwierciadła wody nie ma wpływu na jego wydatek:
–

Bazina i Ponceleta, umieszczane w korytach o ściankach pionowych,

–

Thomsona − trójkątne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

Cipolettiego − trapezowe,

–

o przekroju półkolistym.
Za pomocą przelewów mierzy się przepływy od kilku litrów na sekundę do kilkunastu

/s. Przelew Thomsona służy do określania najmniejszych przepływów.

Koryta pomiarowe produkowane są również z blachy stalowej odpornej na korozję

i wyposażone w urządzenia służące do pomiarów natężenia i sumowania przepływu.
Instalowane są najczęściej na doprowadzalnikach wody (do nawadniania, do zakładów pracy)
i odprowadzalnikach ścieków, na przykład z zakładów przemysłowych do oczyszczalni
ś

cieków. W ciekach charakteryzujących się burzliwym ruchem wody (o dużych spadkach),

w których nie jest możliwe zastosowanie naczyń i przelewów, przepływ można obliczyć
metodą rozcieńczenia wskaźnika. Wskaźnikiem jest najczęściej roztwór chemiczny,
temperatura lub barwnik, stąd też używa się nazw: metoda chemiczna, termometryczna
lub kolorymetryczna.

Metoda chemiczna polega na wyznaczeniu na pewnym dogodnym odcinku cieku dwóch

przekrojów, wprowadzeniu do wody w przekroju wyżej położonym roztworu soli o znanym
stężeniu oraz na pobieraniu w drugim próbek wody i badaniu ich stężenia. Rozcieńczenie
zależy od ilości przepływającej wody, wielkość przepływu określa się na podstawie różnic
stężenia wprowadzonego roztworu i poddanych badaniom próbek pobranych w drugim
przekroju. Metoda ta wymaga specjalnej aparatury oraz umiejętności dozowania roztworu
i wykonywania analizy pobranych próbek.

Metoda termometryczna, mniej dokładna od chemicznej, jest do niej podobna. Różnica

polega na tym, że stosuje się tu zamiast roztworu wodę o różnej temperaturze (np. cieku
głównego i dopływu lub źródła).

Metoda kolorymetryczna jest również podobna do chemicznej. Różni się jednak

od chemicznej tym, że zamiast roztworu soli stosuje się w niej barwniki. Na podstawie
różnicy zabarwienia wody w dolnym i górnym przekroju określa się wielkość przepływu.
Do badania stopnia zabarwienia stosuje się przyrząd zwany kolorymetrem.

Obliczanie odpływu na podstawie stanów wód

Każdemu stanowi wody w ustalonym korycie rzeki odpowiada określone natężenie

przepływu. Twierdzenie to jest słuszne, jeżeli warunki przepływów nie zmieniły się, a więc
dno rzeki w danym przekroju poprzecznym nie zostało pogłębione lub spłycone, a także
przekrój podłużny rzeki nie uległ zmianom.

Na przepływ wody przez przekrój rzeczny ma również wpływ stopień zlodzenia

oraz zarośnięcia koryta przez roślinność. Czynniki te powinny być wzięte pod uwagę przy
ustalaniu związku między odczytanym na wodowskazie stanem wody a odpowiadającym
mu natężeniem przepływu. Związek między tymi czynnikami można przedstawić wykreślnie
za pomocą krzywej natężenia przepływu, zwanej też krzywą konsumpcyjną.

Krzywa natężenia przepływu (konsumpcyjna)

Krzywa natężenia przepływu określa związek stanów wody H i przepływu Q w przekroju

wodowskazowym; Q = f(H).

Krzywą przepływu wykreśla się na podstawie szeregu wykonanych w danym przekroju

rzeki pomiarów wielkości przepływu. Na osi rzędnych zaznacza się stany wody, a na osi
odciętych − odpowiadające im objętości przepływu. Dla każdego wyniku pomiaru przepływu
przy określonym stanie wody otrzymuje się w prostokątnym układzie współrzędnych jeden
z punktów krzywej przepływu. W wyniku większej liczby pomiarów otrzymuje się większą
liczbę punktów i na ich podstawie wykreśla się krzywą natężenia przepływu w kształcie
paraboli wypukłej ku górze. Każdy profil rzeczny ma własną krzywą natężenia przepływu
odniesieniu do miejscowego wodowskazu, którego zero powinno znajdować się stale na

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

jednej wysokości. Jeżeli w danym przekroju pomiarowym zmieniają się warunki przepływu,
zmienia się również kształt krzywej. Wyznaczanie krzywej można przeprowadzić metodami
graficznymi i analitycznymi. W praktyce hydrologicznej stosuje się często najprostszą metodę
graficzną polegającą na odręcznym wyrównywaniu punktów pomiarowych linią krzywą.
Wyrównanie krzywej przepływu metodami analitycznymi, polega na wyrażeniu krzywej
różnymi typami równań, wyrażających zależność między przepływem a stanem. Opracowanie
równań rozpoczyna się od ustalenia wielkości stałej B. Stała B może mieć znak dodatni lub
ujemny, zależnie od tego, czy rzędna zera wodowskazu znajduje się wyżej czy niżej od
rzędnej dna. Stała ta oznacza taki stan na wodowskazie, przy którym Q=0. Jeżeli zero
wodowskazu położone jest równo z poziomem dna (B=0), wykres krzywej bierze początek
w punkcie zerowym układu współrzędnych. W innym wypadku współrzędne początkowego
punktu krzywej zależą od wartości B.

Rys. 16. Krzywa konsumpcyjna [7, s. 170]

Charakterystyki prędkości wody w korycie rzecznym

Prędkości wody w korytach rzecznych kształtują się pod wpływem różnorodnych

czynników, często znacznie różniących się w poszczególnych rzekach. Do najważniejszych
z nich można zaliczyć:
–

spadek zwierciadła wody,

–

głębokość,

–

opory ruchu,

–

kształt i wymiary przekroju poprzecznego,

–

kształt koryta w planie,

–

ruch rumowiska,

–

zjawiska lodowe,

–

zarastanie koryta,

–

istniejące budowle wodne,

–

przeszkody lokalne.
Proces kształtowania się prędkości w korycie rzecznym jest, więc zjawiskiem bardzo

złożonym. Opis ogólnej struktury strumienia wody wymaga określenia charakterystyk
prędkości: w pionie, w przekroju poprzecznym i wzdłuż biegu rzeki.

Określanie charakterystyk prędkości na podstawie bezpośrednich pomiarów

Najprostszym sposobem określania charakterystyk prędkości są bezpośrednie pomiary

prędkości w przekroju poprzecznym. Na stacjach wodowskazowych są wykonywane kilka

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

razy w roku pomiary przepływu, najczęściej poprzez pomiar prędkości za pomocą młynka
hydrometrycznego. Wobec tego w przekrojach wodowskazowych wszystkie charakterystyki
prędkości mogą być określone z pomiarów bezpośrednich.

Charakterystyki prędkości w pionie

Pełną charakterystykę prędkości w wybranym pionie daje rozkład prędkości. Rozkład ten

kształtowany

jest

głównie

przez

opory

dna

oraz

opory

wewnętrzne

(tarcie

międzycząsteczkowe). Wielkość oporów dna zależy od rodzaju materiału dennego oraz
od ukształtowania dna. W przypadku dna płaskiego, opory wynikają z chropowatości
poszczególnych ziaren materiału dennego. Rozkład prędkości będzie w tym przypadku
regularny. Jeśli dno koryta ukształtowane jest w postaci różnego rodzaju form dennych
(zmarszczki, fałdy i in.), to stanowią one dodatkowy czynnik oporu ruchu i wpływają
na deformację rozkładu prędkości w pionie. Ponadto istotnymi czynnikami wpływającymi na
rozkład prędkości w pionie są zjawiska lodowe, zarastanie, przeszkody lokalne i wiatr.

Rozkład prędkości w pionie jest to krzywa, zwana tachoidą łącząca końce wektorów

prędkości strumienia wody na różnych głębokościach.

Prędkość powierzchniowa w pionie (u

) jest to prędkość, z jaką poruszają się

powierzchniowe cząstki wody w miejscu usytuowania wybranego pionu w korycie rzecznym.

Prędkość maksymalna w pionie (u

max

) jest to największa prędkość w pionie spośród

prędkości strumienia wody na różnych głębokościach.

Rys. 17. Krzywe prędkości w pionach [7, s. 158]

Jeżeli rozkład prędkości w pionie jest regularny, prędkość maksymalna występuje

na poziomie zwierciadła wody i odpowiada prędkości powierzchniowej w pionie. Czynniki
zaburzające rozkład prędkości w pionie (wiatr, zjawiska lodom powodują zazwyczaj

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

występowanie prędkości maksymalnej w pionie poniżej zwierciadła wody. Prędkość średnia
w pionie (u

) jest to prędkość obliczona dla całego pionu w ten sposób, że pole zawarte

pomiędzy prostą wyznaczającą pion i wykresem tachoidy jest równe polu prostokąta
o wysokości odpowiadającej głębokości pion i szerokości odpowiadającej wektorowi
prędkości u

. Prędkość średnia w pionie w wielu przypadkach jest bliska prędkości

obserwowanej na głębokości równej 0,6 całkowitej głębokości pionu.

Charakterystyka prędkości w przekrojach niekontrolowanych

W sytuacji przekroju niekontrolowanego na rzece kontrolowanej lub niekontrolowanej

nie ma możliwości oszacowania rozkładu prędkości w przekroju rzeki bez znajomości
pewnych charakterystyk hydraulicznych koryta rzecznego. W związku z tym za przekrój
niekontrolowany należy uważać przekrój, w którym nie wykonuje się pełnego zakresu
pomiarów prędkości w całym przekroju poprzecznym, a jedynie pomiary umożliwiające
pośrednie wyznaczenie wymaganych charakterystyk prędkości. Najczęściej wyznacza
się następujące charakterystyki prędkości:
–

rozkład prędkości w pionie,

–

prędkość średnią w pionie,

–

prędkość średnią w przekroju poprzecznym.
Wzory do obliczania wymienionych charakterystyk wymagają znajomości takich

elementów, jak:
–

prędkość powierzchniowa (mierzona zwykle metodą pływakową),

–

spadek hydrauliczny zwierciadła wody (mierzony metodami geodezyjnymi),

–

geometria przekroju poprzecznego (sondowanie),

–

skład granulometryczny materiału dna i brzegów oraz ich ukształtowanie,

–

współczynniki szorstkości dna i brzegów.
Niektóre z tych elementów są stosowane zamiennie.

Obserwacja zjawisk lodowych

Pomiar grubości pokrywy lodowej wykonujemy w przeręblach. Po wyrąbaniu przerębli

i odsłonięciu w ten sposób kawałka swobodnego zwierciadła wody brzegi przerębli obmarzają
i lód na krawędziach staje się grubszy od reszty pokrywy. Aby uniknąć powstającego na
skutek tego błędu w pomiarze grubości pokrywy lodowej, pomiaru dokonujemy łatą
z „czujnikiem” pozwalającym na ominiecie zgrubienia przy krawędziach.

Zastosowanie techniki w pomiarach natężenia przepływu

W hydrologii ultradźwiękowej najodpowiedniejszymi nadajnikami i odbiornikami

ultradźwiękowymi są przetworniki piezomagnetyczne, gdyż są one mniej podatne
na zakłócenia i wykazują większą trwałość od przetworników piezoelektrycznych. Sposób
działania odbiorników ultradźwiękowych piezomagnetycznych opiera się na odwrotnym
zjawisku magnetstrykcyjnym. Gdy pręt piezomagnetyczny jest poddany odkształceniu,
zmienia się jego stan namagnesowania i otaczającej go cewce zostanie zaindukowane
elektryczne napięcie. Na piezomagnetyczny odbiornik działa zmienne ciśnienie dźwiękowe,
to znaczy, że gdy umieścimy go w polu dźwiękowym, zmienne ciśnienie fali dźwiękowej
wywoła

odkształcenie,

które

powoduje

zmianę

magnetyzacji.

odbiorniku

piezomagnetycznym wytwarza się słabe zmienne napięcie elektryczne o tej samej
częstotliwości. Należy je jednak najpierw wzmocnić, a dopiero potem doprowadzić
do przyrządu pomiarowego. W celu otrzymania dużego sygnału napięciowego wskazane jest
stosowanie rezonansowego piezomagnetycznego odbiornika o

częstotliwości fali

pobudzającej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 18. Sonda pomiarowa Koppelmana: 1 – drut niklowy, 2 – izolacja akustyczna, 3 – zwojnica

[www.imgw.pl]]

Echosondy znalazły szereg zastosowań. Najbardziej znaną jest echosonda pionowa

służąca do pomiaru głębokości morza, rzek i jezior. Na podstawie dokonywanych pomiarów
można również dokonywać obrazowania kształtu dna morskiego, odkrywać wraki,
wykonywać pomiar natężenia przepływu a także wykrywać ławice ryb. Wadą tej echosondy
jest jej nieruchomość, tzn. można wykrywać przedmioty i określać ich odległość tylko wtedy,
gdy leżą bezpośrednio pod statkiem wewnątrz stożka dźwiękowego przetwornika echosondy.
Do poszukiwania przedmiotów w pobliżu powierzchni wody służy echosonda pozioma. Jej
nadajnik promieniuje impulsy poziomo, równolegle do powierzchni wody, najczęściej
w kierunku poruszania się statku. Natomiast do poszukiwania we wszystkich kierunkach,
używa się źródła dźwięku, wytwarzanego przy pomocy urządzenia obrotowego. Echosondy
pracują w jednym wymiarze, natomiast pożądane jest znalezienie dwuwymiarowego pomiaru
głębokości, w którym podobnie jak w urządzeniach radarowych wskaźnik wizualny
umożliwia widzenie powierzchni badanej części morza lub dna. Do tego celu wykorzystuje
się nadajnik ultradźwiękowy, który obraca się lub przesuwa liniowo i może przebadać
stożkiem ultradźwiękowym dno morza lub obszar wodny zawarty między statkiem a dnem.
Wobec tego, że pomiar dokonywany jest powoli, dlatego we wskaźniku wizualnym
stosowana jest lampka oscyloskopowa o długiej poświacie. Odchylenie strumienia elektronów
jest zsynchronizowana z ruchem nadajnika ultradźwiękowego, natomiast jasność plamki

wietlnej sterowana jest za pomocą echa.

Ocena dokładności pomiarów natężenia przepływu wody

rednie dobowe przepływy określane są za pomocą zależności stan-przepływ

na podstawie codziennych pomiarów stanów wody. Wobec tego ocena dokładności ich
określenia zależy od dokładności pomiarów stanów i przypływów wody oraz dokładności
określenia krzywej przepływu. Codzienne wartości stanów wody są mierzone w ustalonych
terminach z dokładnością ±1,0 cm na rzekach nizinnych i ±2,0 cm na rzekach górskich
i podgórskich. Stany wody, poza obserwacjami nadzwyczajnymi w okresie wezbrań, mierzy
się w polskiej służbie hydrologicznej w jednym terminie w ciągu doby o godzinie 7

, lub

w trzech terminach o 6

, 12

, 18

, a jedynie na ok. 300 posterunkach są rejestrowane

w sposób ciągły za pomocą limigrafów. Okresowe pomiary natężenia przepływu wody
stanowią podstawę do określenia związku stan-przepływ. Przyjmuje się, że aby poprawnie
określić ten związek należy w początkowym okresie istnienia posterunku wodowskazowego
wykonać co najmniej 20 pomiarów przepływu wody w całej amplitudzie wahań stanów wody.
Następne pomiary przepływu, tzw. pomiary kontrolne w liczbie około 10 rocznie, mają
dostarczać informacji o stałości lub zmianach związku Q = f(H). Każdy pomiar jest
obarczony pewnym błędem, który ma charakter błędu przypadkowego i błędu
systematycznego. Pierwszy związany jest przede wszystkim ze sposobem wykonania pomiaru
i przyjmuje różne wartości losowe, drugi związany jest zazwyczaj z przyrządem pomiarowym

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i nie zmienia się przy powtarzaniu pomiaru. Pomiarom przepływu nie można przypisać
dokładnej wielkości błędu przypadkowego, można natomiast wykonać pomiar wielokrotnie
i doprowadzić do określenia przeciętnej wartości przepływu oraz do statystycznej oceny błędu
w postaci przedziału ufności. Przedział ufności przyjmuje się na ogół na poziomie 95%,
wtedy jego szerokość jest równa podwojonemu standardowemu odchyleniu wyników
pomiarów przepływu.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

W jaki sposób wykonuje się pomiar natężenia przepływu wody?

Do czego służy metoda Harlachera i metoda Culmana?

Jakie znasz metody bezpośredniego pomiaru przepływu?

Co to są przelewy pomiarowe?

Na czym polega różnica pomiaru prędkości wody między metodą chemiczną a metodą
termometryczną?

Co to jest krzywa konsumpcyjna?

Jakie czynniki kształtują w korytach rzecznych prędkość wody?

Kiedy wykonuje się pomiar prędkości wody?

Co to jest rozkład prędkości w pionie?

10.

W jaki sposób powstaje tachoida?

11.

W jaki sposób przeprowadzany jest pomiar grubości pokrywy lodowej?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Sporządź krzywą natężenia przepływu dla dowolnej rzeki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeczytać

treść

rozdziału

Natężenie

przepływu

wody

(materiał

nauczania

pkt. 4.4.1),

ustalić różnicę rzędnych zera wodowskazu i rzędnej dna,

zaznaczyć na osi rzędnych stany wody a na osi odciętych odpowiadające im przepływy,

wykreślić na podstawie otrzymanych punktów krzywą natężenia przepływu,

zaprezentować wyniki pracy na forum grupy,

dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

papier milimetrowy,

—

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj metody obliczania natężenia przepływu. Uzupełnij tabelę.

Metoda rachunkowa

Harlachera

Metoda wykreślna

Harlachera

Metoda wykreślna

Culmanna

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać treść rozdziału Natężenie przepływu wody (materiał nauczania pkt. 4.4.1),
2) scharakteryzować metody obliczania natężenia przepływu wody w naturalnym cieku,
3) uzupełnić tabelę, porównać wyniki,
4) zaprezentować wyniki pracy na forum grupy,
5) dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Wykonaj pomiar natężenia przepływu wody w naturalnym cieku.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

przeanalizować rozdział Natężenie przepływu wody (materiał nauczania pkt. 4.4.1),

wykonać pomiar natężenia przepływu,

zaprezentować wyniki pracy na forum grupy,

dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

przybory do pisania,

—

literatura z rozdziału 6.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić sposoby pomiaru natężenia przepływu wody?

wyjaśnić różnice w obliczaniu natężenia przepływu metodami
Harlachera i Culmanna?

scharakteryzować metody bezpośredniego pomiaru przepływu?

określić zasadę działania przelewów pomiarowych?

określić różnicę między metodami: chemiczną i termometryczną?

określić pojęcie krzywej konsumpcyjnej?

określić czynniki wpływające na prędkość wody w korycie
rzecznym?

wykonać pomiar prędkości wody?

wyjaśnić zasady sporządzania tachoidy?

10)

określić sposób pomiaru grubości pokrywy lodowej?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uważnie instrukcję.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.

Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

Na rozwiązanie testu masz 35 min.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Wyniki obserwacji i pomiarów zbierane przez IMGW z terenu całego kraju są
opracowywane, publikowane i wydawane w formie
a)

roczników.

dzienników.

sprawozdań.

meldunków.

Pod wpływem energii słonecznej oraz sił ciążenia wody hydrosfery podlegają procesowi
ciągłego krążenia w zamkniętym obiegu zwanym

cyklem hydrologicznym.

cyklem rocznym.

cyklem meteorologicznym.

cyklem hydrometrycznym.

Do podstawowych prac hydrometrycznych należą obserwacje
a)

stanów wody oraz pośrednie i bezpośrednie pomiary natężenia przepływu.

wpływu zlodzenia i zarastania koryt rzecznych.

stanów wody oraz pomiary prędkości i natężenia przepływu.

stanów charakterystycznych i okresowych.

4. Hydrometria to dział hydrologii zajmującej się pomiarami poziomu

wód dennych oraz wód gruntowych.

wód powierzchniowych i podziemnych oraz form ich zlodzenia.

wód artezyjskich.

poziomu zwierciadła wody.

5. Do określania wielkości i szybkości zmian stanów wody w cieku służą przyrządy

pomiarowe zwane

drogowskazami.

wodowskazami.

hydrowskazami.

wodomiarami.

6. Obserwacje zwyczajne prowadzone są codziennie rano o ustalonej godzinie przez

obserwatorów w lecie

o piątej, w zimie o szóstej.

o siódmej, w zimie o ósmej.

o szóstej, w zimie o siódmej.

i zimie o siódmej.

7. Na podstawie pomiarów stanów wody w rzece oraz częstotliwości możemy sporządzić

wykres
a) częstości stanów wody.
b) związku wodowskazów.
c) stanów charakterystycznych.
d) pomiaru prędkości przepływu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8. Prędkość wody w korytach otwartych można mierzyć za pomocą

wodowskazów i reperów.

wodowskazów łatowych i samopiszących.

pływaków, młynków hydrometrycznych, dynamometrów.

limnigrafu.

9. Schemat przedstawia pływaki do pomiaru

krzywej częstości stanów wody.

codziennych stanów wody.

powierzchniowej prędkości wody.

natężenia przepływu wody.

10. Istnieją trzy sposoby pomiaru prędkości wody. Najdokładniejszy jest pomiar

punktowy pośredni.

punktowy bezpośredni.

pośredni.

bezpośredni odcinkowy.

11. Na podstawie wyników pomiaru głębokości i odpowiadających im odległości od brzegu

wykreśla się przekrój

stanu najwyższego.

okresowy cieku.

podłużny cieku.

poprzeczny cieku.

12. Metoda rachunkowa Harlachera służy do obliczania

krzywej sum czasów trwania stanów wody.

szybkości przepływu.

stanów wody.

natężenia przepływu.

13. Bezpośredni pomiar natężenia przepływu wody dla małych cieków przeprowadza się

stosując

wodowskazy pływakowe.

młynki hydrometryczne.

przelewy i koryta pomiarowe.

pływaki i pomiary pływakowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14. Za pomocą przelewów mierzy się przepływy a ich wielkość podaje się w jednostkach

a) m

/s.

b) dm

/s.

c) m

/h.

d) dm

/h.

15. Metoda polegająca na wyznaczeniu na pewnym dogodnym odcinku cieku dwóch

przekrojów, a następnie wprowadzeniu do wody w przekroju wyżej leżącym roztworu
soli o znanym stężeniu oraz na pobieraniu w drugim przekroju próbek wody i badaniu ich
stężenia to metoda

wykreślna.

kolorymetryczna.

chemiczna.

Harlachera.

16. Do badania stopnia zabarwienia wody w metodzie kolorymetrycznej stosuje się przyrząd

zwany

kolorymetrem.

dozymetrem.

kolorygrafem.

kolomierzem.

17. Na przepływ wody przez przekrój rzeczny ma wpływ

stopień zlodzenia oraz zarośnięcia koryta przez roślinność.

ryż lodowy.

piętrzenie jazem dwudzielnym.

budowa zapór.

18. Krzywą przepływu wykreśla się na podstawie szeregu pomiarów wykonanych w danym

przekroju rzeki

wielkości przepływu.

wielkości natężenia.

stanu wody.

prędkości w pionie.

19. Rozkład prędkości w pionie jest to krzywa, łączącą końce wektorów prędkości strumienia

wody na różnych głębokościach zwaną

konsumpcyjną.

tachoidą.

krzywą rozkładu prędkości.

krzywą częstości stanów wody.

20. Pomiar grubości pokrywy lodowej wykonujemy

w rzekach.

w jeziorach.

w przeręblach.

nad brzegami jezior i stawów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………..

Wykonywanie pomiarów hydrologicznych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

Razem

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Atlas hydrologiczny Polski. IMGW. Wyd. Geol., Warszawa 1986
2. Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z.: Hydrologia ogólna. PWN, Warszawa 2006
3. Brzeziński J., Ozga-Zielińska M.: Hydrologia stosowana. PWN, Warszawa 1997
4. Byczkowski A.: Hydrologia. Tom 1 i 2. SGGW, Warszawa 1996
5. Kleczkowska A.S., Różkowski A. (red.): Słownik hydrogeologiczny. MOŚZŃiL,

Wydawnictwo Trio, Warszawa 1997

6. Kowalski J.: Hydrogeologia z podstawami. Wydawnictwo Akademii Rolniczej, Wrocław

1998

7. Król C.: Hydrologia. Państwowe Wydawnictwa Rolnicze i Leśne, Warszawa 1996
8. Płochniewski Z.: Hydrologia i geologia inżynierska. Wydawnictwo Geologiczne,

Warszawa 1986

9. Radlicz-Ruhlowa H., Szuster A.: Hydrologia i hydraulika z elementami hydrogeologii.

WSiP, Warszawa 1997

10. strona internetowa: www.imgw.pl

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
12 Wykonywanie izolacji termicznych budynków
opracowania wykonywanie pomiarow WEB
12 Wykonywanie fundamentów
04 Wykonywanie pomiarow paramet Nieznany
12 Wykonywanie izolacji termicznych w budynkach
opracowania wykonywanie pomiarow2007
10 Wykonywanie pomiarow krawiec Nieznany
311[15] Z1 01 Wykonywanie pomiarów warsztatowych
5 Metody wykonywania pomiarow i szacowanie niepewnosci pomiaru
WYKONYWANIE POMIARÓW MASY CIAŁA I WZROSTU, Opiekun Medyczny
12 Niepewności pomiarowe
12 Wykonywanie makijazuid 13651 Nieznany (2)
opracowania wykonywanie pomiarow
WYKONYWANIE POMIARÓW MASY CIAŁA I WZROSTU, Studium medyczne
08 Wykonywanie pomiarow warszta Nieznany (2)

więcej podobnych podstron