Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Przepływ w ciekach naturalnych
Przepływ w ciekach naturalnych
1
Przepływ w ciekach
Przepływ w ciekach
1 1
1 1
1 1
Hierarchizacja cieków
Hierarchizacja cieków
2
1 1
1
2
sieć typu dendrycznego
sieć typu dendrycznego
1
2
2
2
2
n n n+1 1
n
3
1
3
2
1
3
3
n+1 n+1
z
ródło
połączenie cieków
1,2,3, ... rzÄ…d cieku
4
(n) + (n) = (n + 1) (n) + (n + 1) = (n + 1)
2
1
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Prawa Hortona
Prawa Hortona
" Prawo liczby cieków - Stosunek liczby cieków rzędu  i do liczby cieków
rzędu  i + 1 jest stały:
Ni
RB = = const
Ni+1
" Prawo długości cieków - Stosunek średniej długości segmentów cieków
rzędu  i + 1 do średniej długości segmentów cieków rzędu  i jest stały
Li+1
RL = = const
Li
" Prawo powierzchni cieków - Stosunek średniej powierzchni zlewni rzędu
 i + 1 do średniej powierzchni zlewni rzędu  i jest
stały:
Ai+1
RA = = const
Ai
3
Ogólna charakterystyka rzek
Ogólna charakterystyka rzek
" Rzeki  cieki najwyższych rzędów powstające z połączeń
cieków niższych rzędów
" Przepływ w rzece  objętościowe natężenie przepływu, czyli
objętość wody jaka w jednostce czasu przepływa przez dany
przekrój poprzeczny rzeki
Zmienność przepływu w czasie
- roczny cykl klimatyczny regionu
- sterowanie pracÄ… budowli hydrotechnicznych
4
2
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Ogólny podział rzek
Ogólny podział rzek
" rzeki nizinne
małe spadki podłużne koryta (< 0,50 ), przepływy
stosunkowo wyrównane, wezbrania narastają wolno i trwają
dłużej, transportowane rumowisko jest drobne
" rzeki górskie
duże spadki podłużne koryta (> 0,50 ), wezbrania
gwałtowne i krótkotrwałe, duża zmienność przepływów w
czasie, duże prędkości przepływu (często podkrytyczne)
powodujÄ… ruch rumowiska gruboziarnistego
dolina rzeki - wąska, wydłużona forma rzez
by terenu o
jednokierunkowym nachyleniu dna
5
Przekrój poprzeczny doliny rzeki
Przekrój poprzeczny doliny rzeki
brzeg brzeg
lewy prawy
dno doliny
krawędz

doliny
terasa terasa
stok doliny
koryto
teren zalewowy
(łożysko)
Elementy
Elementy
doliny
doliny
- dno doliny
- dno doliny
- oÅ› doliny
- oÅ› doliny
- terasy
- terasy
- krawędzie
- krawędzie
6
3
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Przekrój zwarty  parametry
Przekrój zwarty  parametry
B
A
hs
hm
P
- powierzchnia przekroju czynnego A
- powierzchnia przekroju czynnego A
- obwód zwilżony p
- obwód zwilżony p
A
R =
- promień hydrauliczny R
- promień hydrauliczny R
p
- szerokość koryta na poziomie zwierciadła wody B
- szerokość koryta na poziomie zwierciadła wody B
- głębokość średnia hs hs = A
- głębokość średnia hs
B
7
Przekrój wielodzielny
Przekrój wielodzielny
II III
I
" konsekwencje w obliczeniach wydatku
8
4
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Pomiar przekroju poprzecznego
Pomiar przekroju poprzecznego
B
i km 124,125
H"
d "B
r.z.w.
hi
" przez sondowanie żerdzią pomiarową wzdłuż rozpiętej
liny hydrologicznej
" przez sondowanie echosondÄ… z Å‚odzi przemieszczajÄ…cej
się wzdłuż linii prostopadłej do brzegów
9
Sondowanie w brodzeniu :&
Sondowanie w brodzeniu :&
10
5
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Sondowanie z Å‚odzi
Sondowanie z Å‚odzi
11
Sondowanie z pontonu
Sondowanie z pontonu
12
6
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Sondowanie z lepszego pontonu
Sondowanie z lepszego pontonu
13
Sondowanie z kładki
Sondowanie z kładki
14
7
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Sondowanie echosondÄ…
Sondowanie echosondÄ…
Echosonda (sonda akustyczna)
- działa na zasadzie odbicia fali ultradz
więkowej od dna
rzeki lub zbiornika wodnego
- z
ródło i odbiornik dz
więku
- na postawie czasu przebiegu fal określa się głębokość wody
15
Sondowanie klasyczne
Sondowanie klasyczne
Żerdzie pomiarowe
- drewniane lub stalowe, przekroju kołowy
- podziałka 1-, 5- lub 10-centymetrowa
- dolny koniec sondy zakończony jest talerzem lub
szpikulcem
Sondy ciężarkowe
- głębokości większe niż 4 m i prędkości większe
niż 1 m/s
- żelazo lub ołów w kształcie kul, soczewek,
na lince stalowej
16
8
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Uwagi do sondowania
Uwagi do sondowania
mierzony przekrój musi być jednoznacznie
zlokalizowany (kilometraż rzeki)
mierzone głębokości są wielkościami
względnymi i muszą być odniesione do rzędnej
zwierciadła wody (r.z.w.) określonej w trakcie
pomiarów.
17
Kilometraż rzeki
Kilometraż rzeki
" prowadzony wzdłuż osi rzeki
" zwykle od ujścia w kierunku z
ródła
" jest miarą odległości w przypadku rzek o
ustabilizowanym biegu
" w przypadku rzek meandrujÄ…cych
kilometraż nie musi być miarą odległości
18
9
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Kształt biegu rzeki
Kształt biegu rzeki
typowe formy
zakola  łagodne przejścia z łuku w łuk
a
a
b
b
c
c
a - a b - b
c - c
odcinki proste  rzadkie i zwykle krótkie
19
Spadki zwierciadła wody
Spadki zwierciadła wody
podłużny (wzdłuż osi rzeki)  Poprzeczny  w zakolach rzek
podłużny (wzdłuż osi rzeki)  Poprzeczny  w zakolach rzek
generujący ruch wody w wywołany siłą odśrodkową i
generujący ruch wody w wywołany siłą odśrodkową i
kierunku zmniejszających się siłą Coriolisa
kierunku zmniejszających się siłą Coriolisa
rzędnych dna
rzędnych dna
B
"h
P
Ä…
F
dno rzeki
r
m Å"v2 B Å"v2
F = m Å" g, p = "h =
r 2Å" r Å" g
"hp H" 10 ÷ 20 cm, "hc H" 0,2 cm
20
10
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Parametry charakteryzujÄ…ce warunki
Parametry charakteryzujÄ…ce warunki
przepływu w rzece
przepływu w rzece
" Stan wody
" Prędkość przepływu
" Wydatek (natężenie przepływu)
21
Stan wody
Stan wody
" Wzniesienie zwierciadła wody w danym przekroju ponad
umownie przyjęty poziom porównawczy, tzw. zero wodowskazu
" Jednostki
centymetry
H
3 cyfry zero
wodowskazu
22
11
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Pomiary stanów
Pomiary stanów
" w Polsce pomiary stanów prowadzą służby IMGW
" miejsce prowadzenia pomiaru  posterunek wodowskazowy
" miejsce zainstalowania wodowskazu  profil wodowskazowy
" łaty wodowskazowe  nacechowane z podziałem 2 cm,
drewniane, metalowe lub plastykowe łaty, umożliwiają
pomiary terminowe z dokładnością do 1 cm
" limnigrafy  samopiszące przyrządy zapewniające ciągłą
rejestrację stanów, tzw. limnigram H(t)
" radiotelelimnigrafy
23
Lokalizacja profilu wodowskazowego
Lokalizacja profilu wodowskazowego
" koryto rzeki w profilu wodowskazowym powinno być zwarte,
jednolite i mieścić (w miarę możliwości) cały przepływ
rzeki
" zwierciadło wody w profilu wodowskazowym powinno być
swobodne (nie powinno znajdować się pod wpływem
spiętrzeń i depresji wywołanych przez czynniki naturalne i
sztuczne)
" dno rzeki nie powinno ulegać zmianom (erozji lub akumulacji) i
zarastać roślinnością rzeczną
" wodowskaz musi być łatwo dostępny dla obserwatora przy
każdym stanie wody
24
12
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Wodowskazy Å‚atowe
Wodowskazy Å‚atowe
25
Wodowskazy Å‚atowe
Wodowskazy Å‚atowe
26
13
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Wodowskazy Å‚atowe
Wodowskazy Å‚atowe
wodowskaz grupowy
wodowskaz schodkowy wodowskaz skośny
27
Limnigrafy
Limnigrafy
" pływakowe
" ciśnieniowe
" nadążne
Sondy ultradz
więkowe
28
14
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Ocena aktualnego stanu wody
Ocena aktualnego stanu wody
porównanie z tzw. stanami charakterystycznymi
" SW  średni stan z danego roku (tzw. średnia woda)
I RZ
DU
" WW  maksimum roczne
" NW  minimum roczne
" SSW  średni stan z wielolecia
II RZ
DU
" SWW  średni wysoki stan
" SNW  średni minimalny stan
" WWW najwyższa wielka woda
" NNW  najniższa niska woda
29
Graficzna prezentacja stanów
Graficzna prezentacja stanów
krzywa stanów codziennych  krzywa W
H
[cm]
400
krzywa stanów dla przekroju
300
Wyszogród: Wisła, km 586+900
200
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
dni
kwiecień 1972
H [cm]
380
340
krzywa stanów dla przekroju
300
Toruń: Wisła, km 734+700
260
220
17 18 19 20 21 22
data
grudzień 1971
30
15
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Graficzna prezentacja stanów
Graficzna prezentacja stanów
H [cm]
rok 1972
600
"h = 10 cm
krzywa częstotliwości stanów
500
400
ilość obserwacji stanów
300
o wartości z przedziału
200
o szerokości "h = hi+1  hi
100
0 10 20 30 40 50 dni
H
[cm]
rok 1972
500
400
krzywa sum czasów trwania
300
stanów wraz z wyższymi
200
100
0
0 50 100 150 200 250 300 365 dni
31
Prędkości przepływu w rzece
Prędkości przepływu w rzece
rozkład prędkości w pionie  tachoida
Up
wiatr wiatr
U
m
h
´
Ud
Us
" w warstwie przyściennej, przy dnie  jak w ruchu laminarnym
" powyżej warstwy przyściennej  rozkład wyrównany jak w ruchu turbulentnym
" prędkość maksymalna  poniżej zwierciadła wody
" wiatr może modyfikować kształt
h
1
" prędkość średnia w pionie
Us = U (z) Å" dz
+"
h
0
32
16
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Prędkości przepływu w rzece
Prędkości przepływu w rzece
" rozkład prędkości w przekroju
" izotachy  linie łączące punkty, w których występują jednakowe prędkości
przepływu
" zmienność prędkości wzdłuż głębokości  wpływ dna i wiatru
" zmienność prędkości wzdłuż szerokości  wpływ ścian bocznych koryta i
A  powierzchnia przekroju poprzecznego
zmiennej głębokości
1
" prędkość średnia w przekroju
U = U Å" dA
s
+"+"
A
33
A
Pomiar prędkości przepływu w rzece
Pomiar prędkości przepływu w rzece
" punktowy pomiar prędkości za pomocą młynka
hydrometrycznego
" zasada działania  zależność szybkości obracania się wirnika od
prędkości przepływu wody
" rozkład prędkości w przekroju i określenie prędkości średniej 
na podstawie wielu pomiarów punktowych
34
17
0,20
0,40
0,80
1,00
0,60
1,20
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Młynki na żerdzi
Młynki na żerdzi
35
Młynkowanie z wody, łódki, mostów itd..
Młynkowanie z wody, łódki, mostów itd..
36
18
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
MÅ‚ynkowanie z zawieszonej liny
MÅ‚ynkowanie z zawieszonej liny
37
Ultradz
więkowe pomiary prędkości
Ultradz
więkowe pomiary prędkości
38
19
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Ultradz
więkowe pomiary prędkości
Ultradz
więkowe pomiary prędkości
39
Natężenie przepływu  metody pomiarów
Natężenie przepływu  metody pomiarów
" bezpośrednie  za pomocą urządzeń pomiarowych typu zwężka,
przelew  możliwe w przypadku małych cieków
40
20
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Wydatek  pomiar bezpośredni
Wydatek  pomiar bezpośredni
41
Natężenie przepływu  metody pomiarów
Natężenie przepływu  metody pomiarów
" pośrednie  na podstawie punktowych pomiarów prędkości
młynkiem hydrometrycznym oblicza się z definicji natężenia
N
Q = U Å" dA H" Ui Å" "Ai Ui  prÄ™dkość w punkcie i
"
+"+"
i=1 "Ai  element powierzchni przekroju
A
przypisany punktowi i
N  liczba elementów
42
21
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Graficzne przedstawienie zmienności
Graficzne przedstawienie zmienności
natężenia przepływu w czasie
natężenia przepływu w czasie
" hydrogram przepływów Q(t)  zmiana wydatku w czasie, krzywa Q
" przepływy charakterystyczne  odpowiadają stanom
charakterystycznym
" krzywa sumowa przepływów  reprezentuje objętość wody, jaka
przepłynęła przez przekrój od przyjętej chwili początkowej
można ją przedstawić w układzie prostokątnym lub skośnym
6
.S
[m3 10 ]
t
60
50
S(t) = Q(Ä )dÄ
40
+"
30
t0
20
10
to 31 59 90 120 151 161 t [dni]
I II III IV V VI
43
Krzywa przepływu
Krzywa przepływu
" krzywa przepływu Q(H)  związek stanów wody i natężeń
przepływu w przekroju rzeki, krzywa konsumcyjna, krzywa K
1
Q = U Å" A U = Å" R2 3 Å" s1 2 = U(H )
n
A = A(H )
Q = Q(H )
H
HN
H1
Q1 Q Q
N
(H , Q ) - wynik pomiaru
44 i i
22
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Krzywa przepływu
Krzywa przepływu
Kształt krzywej konsumcyjnej
" stały w korytach o przekroju zwartym
" zmienny w korytach o przekroju wielodzielnym
H
Q
45
Krzywa przepływu
Krzywa przepływu
przykład  krzywa przepływu dla przekroju prostokątnego
H
H
Q
B
" wzór Manninga 1
Q = Å" R2 3 Å" s1 2 Å" A
n
" pole przekroju A = B Å" H
B e" 30 H (koryto szerokie)
R H" H , gdy
" promień hydrauliczny
1
5 3 ²
" ostatecznie Q = Å" B Å" s1 2 Å" H = Ä… Å" H
46
n
23
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y
Wykład z Hydrauliki i Hydrologii Katedra Hydrotechniki
Krzywa przepływu
Krzywa przepływu
funkcje stosowane do aproksymacji Q(H)
b
Q = a Å" H
" krzywa potęgowa
2
Q = a + b Å" H + c Å" H
" krzywa 2. stopnia
Q = a Å"bH
" krzywa wykładnicza
metoda określenia współczynników równań
metoda najmniejszych kwadratów
47
Krzywa przepływu
Krzywa przepływu
uwagi o krzywej przepływu
" zależność Q(H) jest jednoznaczna tylko w warunkach ruchu
ustalonego jednostajnego
" w warunkach ruchu nieustalonego występuje zjawisko
histerezy krzywej
" krzywa przepływów umożliwia określenie natężenia
przepływu na podstawie stanu wody
48
24
Katedra
Hydrotechniki
-
materia
Å‚
y