HYDROLOGIA

WYKŁAD 1

Etymologia słowa „hydrologia”

hýdōr - `woda'

lógos - `mowa; słowo; wypowiedź; wiadomość; opowieść; księga; rachunek; myśl; opinia; dowód; wartość; stosunek'

logia - `zbiór; kolekta'

HYDROLOGIA jest nauką o wodach występujących w przyrodzie.

Przedmiotem badań hydrologii jest iężarze wody w przyrodzie z uwzględnieniem jej właściwości fizycznych i chemicznych

Krążenie wody w przyrodzie (tj. rozkład przestrzenny i dynamika czasowa zasobów i strumieni wody) podlega w skali globu a takŜe lokalnie :

• czynnikom naturalnym :

cz. Kosmicznemu

cz. Geologicznemu

cz. Meteorologicznemu

cz. Biologicznemu

• czynnikowi antropogenicznemu

• Podstawę empiryczną hydrologii stanowi hydrometria

• Hydrologia jest gałęzią geofizyki

• Przyjęto traktować hydrologię jakonaukę o wodach lądowych - badaniem wód morskich zajmuje się oceanologia

Hydrologia dzieli się na:

• hydrometeorologię -naukę zajmującą się m.in. iężarz osadami atmosferycznymi

• potamologię - hydrologię wód płynących

• limnologię - hydrologię wód stojących

• geohydrologię/hydrogeologię - naukęo wodach podziemnych

• glacjologię - naukę o lodowcach i śniegu

POTAMOLOGIA - nauka o rzekach,(powierzchniowych lądowych wodachpłynących)

Badania potamologiczne dotyczą:

• sposobu zasilania rzek w wodę

• dynamiki wahań poziomu i przepływu wody

• zmian temperatury wody

• zjawisk towarzyszących zlodzeniu rzek

• ruchu rumowiska rzecznego

• składu chemicznego wody

• Ŝycia biologicznego w rzekach

• klasyfikacji rzek

• topologii sieci rzecznej

LIMNOLOGIA - nauka o zbiornikach wód śródlądowych (z.w.ś.)

Badania limnologiczne dotyczą:

• własności fizycznych, chemicznych oraz termiki środowiska wodnego z.w.ś.; ich przestrzennego rozkładu i ewolucji w czasie

• procesów zasilania i hydrodynamiki przepływu wód w jeziorach i zbiornikach wodnych

• wzajemnego oddziaływania z.w.ś. z systemem atmosferycznym i środowiskiem wód podziemnych

• Ŝycia biologicznego w jeziorach i zbiornikach wodnych

• związków pomiędzy procesami biologicznymi a hydrodynamiką przepływu wód oraz dynamiką zmianich składu chemicznego i temperatury w z.w.ś.

GEOHYDROLOGIA/HYDROGEOLOGIA - nauka o wodach podziemnych i środowisku

skalnym w którym występują (dział geologii)

Badania geohydrologiczne dotyczą:

• zjawisk i procesów związanych z występowaniem,wody w skałach skorupy ziemskiej

• własności fizycznych, chemicznych oraz termiki wód podziemnych z uwzględnieniem ich przestrzennego rozkładu i ewolucji/przemian w czasie

• procesów zasilania i dynamiki wód podziemnych

• wzajemnego oddziaływaniem wód podziemnych z systemem atmosferycznym i wodami powierzchniowymi (rzekami, jeziorami i zbiornikami)

Badania hydrogeologiczne dotyczą ponadto:

•metodyki poszukiwań wód podziemnych

•szacowania zasobów wód podziemnych

•ustalania sposobów ich wykorzystania

•projektowania ujęć wód podziemnych

•monitorowania i ochrony zasobów wód podziemnych

Cząsteczka wody

• H2O - najprostszy trwały związek wodoru z tlenem (88,81% masy - tlen, 11,19% masy - wodór)

• 36 odmian izotopowych wody (3 izotopy wodoru: H, D, T oraz 6 izotopów tlenu: O14 - O19)

Tab. 1 Względna częstość występowania iężarzeych odmian izotopowych

Tab. 2 Temperatury topnienia i wrzenia związków pierwiastków VIA (16) grupy

H2O - prosta cząstka wody; cząstka dipolowa (tj. ładunek dodatni i ujemny są rozsunięte), odległość H-O wynosi 0,96 Å , odległość H-H wynosi 1,54 Å, kąt rozwarcia H-O-H wynosi 105°

• H4O2 , H8O4, ... - asocjacje cząsteczek wody

• Liczba koordynacyjna (liczba iężarzeych sąsiadów) w krysztale lodu - 4; układ elementarnej komórki lodu - heksagonalny

• Konsekwencje dla anomalnej rozszerzalności wody!

Podstawowe własności wody

Gęstość wody (a) - anomalna rozszerzalność wody

• Gęstość wody w przedziale (0º C - 3,98º C) wzrasta

• Gęstość wody w przedziale (3,98º C - 100º C) maleje

• Gęstość lodu o 10% mniejsza niŜ gęstość wody w temp. 0º C - wynosi 916,80 kg/m3

Gęstość wody (b) - konsekwencje

• Lód wypływa na powierzchnię zbiorników wodnych

• Woda o największym iężarze właściwym (temp. 3,98º C) „tonie” i znajduje się na dnie zbiornika wodnego

• Woda osiąga gęstość lodu dopiero w temp. +70º C

Ciepło właściwe wody

• Wśród wszystkich substancji chemicznych woda odznacza się jedną z największych wartości ciepła właściwego - 4186 J/(kg K)

• Oznacza to duŜą pojemność cieplną wody, a w konsekwencji duŜą bezwładność (łagodność)

zbiorników wodnych na temperaturowe wymuszenia zewnętrzne

• DuŜa wartość ciepła topnienia lodu powoduje, Ŝe woda pod lodem jest dobrze izolowana termicznie

Napięcie powierzchniowe

• Def. Napięcie powierzchniowe jest to praca, jaką naleŜy wykonać w celu zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę powierzchni (Nm/m2).

• Woda ma największe n.p. z wszystkich cieczy

• Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury

• Wartość n.p. wody zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości w niej subst. Humusowych i rozpuszczalników organicznych, detergentów itp. ⇒ woda o zmniejszonym n.p. jest szkodliwa dla organizmów Ŝywych

Rozpuszczalność

W wodzie rozpuszczają się ciała stałe, ciecze i gazy

• KaŜda substancja rozpuszcza się w wodzie w określonym stopniu (zaleŜnym od: rodzaju substancji, temperatury i ciśnienia)

• Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem ze względu na swoją budowę dipolową

• Woda w naturze nigdy nie wystepuje w postaci „czystej” - zawsze jest roztworem (jonów) róŜnych substancji

WYKŁAD 2

Limnologia

Badania limnologiczne dotyczą:

• własności fizycznych (w szczegności termiki), chemicznych oraz biologicznych z.w.ś.;

ich przestrzennego rozkładu i ewolucji w czasie

• proces zasilania i hydrodynamiki w jeziorach i zbiornikach wodnych

• wzajemnego oddziaływania z.w.ś. z systemem atmosferycznym i środowiskiem w podziemnych

• związk pomiędzy procesami biologicznymi a hydrodynamiką przepływu w oraz dynamiką zmian ich składu chemicznego i temperatury nauka o zbiornikach w śrlądowych (z.w.ś.)

Dynamika w jeziornych

Przykłady proces zachodzących w z.w.ś.

Największe jeziora świata:

Geneza jezior

• j. meteorytowe

• j. tektoniczne

• j. reliktowe

• j. wulkaniczne (kraterowe, kalderowe)

• j. glacjalne (rynnowe, morenowe,wytopiskowe, cyrkowe)

• j. eoliczne

• j. krasowe

• j. związane z rzekami (meandrowe, deltowe)

• j. nadbrzeŜne, przymorskie

• j. bagienne

• j. sztuczne, antropogeniczne (zbiorniki poeksploatacyjne, zbiorniki retencyjne)

Misa jeziorna

Strefy jezior

• Litoral - najpłytsza, wahania temperatury, najbliŜej brzegu, dolna granica występowania roślinności

• Sublitoral - gwałtowny spadek dna, szczątki organiczne

• Profundal - brak światła, niskie temperatury, osady denne

• Pelagial - strefa otwartej wody, wyłącznie woda i substancje rozpuszczone

Strefy jezior (światło)

• Eufotyczna

• Dysfotyczna

• Afotyczna

Warstwy jezior

• Epilimnion - temperatury zaleŜne od temperatury powietrza; wody są dobrze wymieszane, natlenione i naświetlone

• Metalimnion - warstwa przejściowa; znajduje się w niej termoklina

• Hypolimnion - wyrnana temperatura, woda nie podlega mieszaniu, słaby dostęp

światła

Klasyfikacja jezior (ze względu na kryterium mieszania)

• j. polimiktyczne (płytkie jeziora mieszające się wielokrotnie w ciągu roku, rŜe strefy, stała temp. w przekroju)

• j. oligomiktyczne (głębokie jeziora mieszające się rzadko, strefa przyrnikowa, temp. powyŜej 4oC)

• j. monomiktyczne zimne (mieszanie raz w roku - latem, strefa polarna, j.wysokogskie, temp. poniŜej 4oC)

• j. monomiktyczne ciepłe (mieszanie raz w roku - zimą, strefa subtropikalna i tropikalna, temp. Powyżej 4oC)

• j. dimiktyczne (mieszanie dwa razy roku, strefa umiarkowana, latem powyżej 4oC, zimą poniŜej 4oC)

• j. amiktyczne (brak mieszania, strefy okołobiegunowe, całoroczny l)

KrąŜenie wody

Stratyfikacja termiczna jeziora zima

Stratyfikacja termiczna jeziora wiosna

Stratyfikacja termiczna jeziora lato

Stratyfikacja termiczna jeziora jesień

Klasyfikacja jeziorze względu na trofię

• j. oligotroficzne - niska zawartość substancji odŜywczych, dobre natlenienie

• j. mezotroficzne - typ przejściowy między oligo- i eutroficznym

• j. eutroficzne - duŜe stęŜenia subst. odŜywczych, silny rozw Ŝycia, słabe natlenienie

• j. politroficzne - bardzo Ŝyzne, zakwity glon

• j. saprotroficzne - przeŜyźnione (zwyle antropogenicznie)

Ewolucja jeziora

O - oligotrofia - mało fosforu i azotu, cienka warstwa osad

M - mezotrofia - więcej biogen, więcej osad

E - eutrofia - jeszcze więcej biogen i osad

S - saprotrofia - bliskie stadium bagna, rośliny wynurzone

L - ląd

Status jeziora wg RDW

Dobry status - reprezentuje jezioro, kte tylko nieznacznie rŜi się od swojego naturalnego stanu odniesienia w aspekcie swojej biologii (np. fitoplanktonu, ryb itp.), składu chemicznego i warunk hydromorfologicznych (np. linia brzegowa i morfologia misy jeziornej).

0-wymiarowy model jeziora

Bilans wodny jeziora

ρ - gęstość wody, kg/m3

R - retencja, m3

Jin - dopływający strumień masowy, kg/s

Jout - wypływający strumień masowy, kg/s

JIp - suma dopływających strumieni w powierzchniowych, kg/s

JIg - podsiąk z w podziemnych, kg/s

JP - strumień masowy opadu, kg/s

JK - strumień masowy kondensacji, kg/s

JIIp - suma wypływających strumieni w powierzchniowych, kg/s

JE - strumień masowy parowania, kg/s

Jpob - strumień pobor wody, kg/s

Qi, P, K, E - przepływy, m3/s

R, V - objętośći, m3

Dopływ składnika A do jeziora

WYKŁAD 3 - NIEPEŁNY

POTAMOLOGIA - nauka o rzekach (powierzchniowych lądowych wodach płynących)

Badania potamologiczne dotyczą:

• sposobu zasilania rzek w wodę

• dynamiki wahań poziomu i przepływuwody

• zmian temperatury wody

• zjawisk towarzyszących zlodzeniu rzek

• ruchu rumowiska rzecznego

• składu chemicznego wody

• Ŝycia biologicznego w rzekach

• klasyfikacji rzek

• topologii sieci rzecznej

Liniowe obiekty hydrologiczne - cieki

• Cieki

• Obszar zasilania, zlewnia

• Zlewnia powierzchniowa - zlewnia podziemna

• Cieki naturalne

a) strugi, strumienie

b) potoki

c) rzeki

• Cieki sztuczne:

a) r - sztuczne koryto (wykop podłuŜny, zwykle o przekroju poprzecznym trapezowym) często tylko okresowo wypełniony wodą

b) kanał otwarty - sztuczna arteria wodna zwykle o przekroju poprzecznym trapezowym, o ubezpieczonych skarpach, wyposażona w urządzenia hydrotechniczne.

Sieć rzeczna

• Wody płynące (naturalne i sztuczne) są ze sobą powiązane procesem przepływu tworząc system fizyczny o strukturze topologicznej „drzewa” zwany siecią rzeczną.

• Jeden z ciek jest (umownie) nazwany rzeką głną. Zwykle za rzekę głną

uwaŜa się ciek prowadzący najwięcej wody lub ten, ktego źrła połoŜone są najwyŜej.

• Rzeki głne odprowadzające swe wody bezpośrednio do morza są

ciekami I-go rzędu (np.????????? ),

dopływy cieku głnego są ciekami

II-go rzędu (np.???????? ),

dopływy ciek rzędu II-go są ciekami

III-go rzędu (np. ???????), itd.

• Warunki klimatyczne występowania sieci rzecznej - opady:

?????? mm/rok w strefie umiarkowanej

??????? mm/rok w strefie podzwrotnikowej

???????mm/rok w strefie gorącej

Rzeki - klasyfikacje Czas występowania:

1. stale płynące???????

2. sporadycznie wysychające???????

3. okresowe????

4. epizodyczne??????

Podstawowe pojęcia

• powierzchnia przekroju poprzecznego

• obw zwilŜony

• promień hydrauliczny

• wysokość (rzędna) zwierciadła

• wydatek strumienia

• spadek dna

ZałoŜenia modelu jednowymiarowego

• ruch wolnozmienny - krzywizny toru cząstek są niewielkie

• ruch jednowymiarowy

• niewielka niernomierność rozkładu prędkości w przekroju

• rozkład hydrostatyczny ciśnienia w przekroju

• niewielkie nachylenie dna koryta

• jedyna siła masowa - siła grawitacji

• dopływ boczny wnosi znikomy pęd

Prawo zachowania pędu

Analogicznie do prawa zachowania masy, moŜna wyprowadzić rnanie opisujące

prawo zachowania pędu:

{ilość pędu wnoszonego przez wpływająca wodę w przedziale czasu t}

- {ilość pędu unoszonego przez wodę wypływającą z segmentu koryta w przedziale czasu t} + {zmiana pędu wywołana działaniem sił powierzchniowych (np. sił tarcia) i objętościowych (np. siły grawitacji) w przedziale czasu t} = {zmianie ilości pędu w objętości wody zawartej w segmencie koryta w przedziale czasu t}

WYKŁAD 4 - NIEPEŁNY

Hydrogeologia nauka o wodach podziemnych

Badania hydrogeologiczne dotyczą:

• genezy w podziemnych

• właściwości fizyczne wody (temperatura, barwa, smak, zapach, przezroczystość, przewodnictwo itp.)

• składu chemicznego

• własności hydrogeologiczne skał tworzących warstwę wodnonośną

• hydrodynamiki

• źreł (krenologia)

• w mineralnych

• ustalenia zasob wody

• bilansu w podziemnych

• zmiany ustroju w podziemnych (własności fizyczne, skład chemiczny, dynamika) na

skutek zmiany ośrodka

• zjawisk charakterystycznych dla rŜych rejon geograficznych (hydrogeologia regionalna)

• gnictwa podziemnego i odkrywkowego (hydrogeologia kopalniana)

• problematyki rolnictwa (agrohydrogeologia)

• kartowania

Geneza w podziemnych

• wody infiltracyjne - przesiąkanie opad atmosferycznych

• wody kondensacyjne - skraplanie pary wodnej na powierzchni ziemi lub bezpośrednio pod powierzchnią

• wody juwenilne - powstają na ostatnim etapie krzepnięcia magmy

• wody reliktowe - (szczątkowe) uwięzione w utworach geologicznych sedymenty jezior i mz lub wody infiltrujące do stref izolowanych

• wody metamorficzne

Czynniki wpływające na infiltrację

• przepuszczalność grunt

• rzeźba terenu

• szata roślinna

• temperatura i wilgotność powietrza

• nasycenie wodą środowiska skalnego

• przemarzanie gruntu

• działalność człowieka (uŜytkowanie terenu)

Strefy

• Strefa aeracji - strefa napowietrzona, w ktej występują ziarna skały, woda i

powietrze

• Strefa saturacji - strefa pełnego nasycenia wodą, w ktej wszystkie

przestrzenie między ziarnami wypełnionesą wodą

Strefy rozdziela swobodne zwierciadłow podziemnych.

Piezometr

Urządzenie słuŜące do pomiaru wysokości ciśnienia hydraulicznego (wysokości

hydraulicznej) w określonym punkcie warstwy wodonośnej. Pomiar polega na pomiarze ciśnienia lub rzędnej zwierciadła.

Woda w strefie aeracji

• para wodna w powietrzu glebowym

• woda związana chemicznie (woda krystalizacyjna) np. w gipsie, wodorotlenku Ŝelaza lub tlenkach krzemu

• woda związana fizycznie siłami molekularnymi z cząsteczkami skały

• woda higroskopowa powstająca w procesie adsorpcji pary wodnej na powierzchni ziaren

• woda błonkowata otaczająca ziarna warstwą o miąŜszości ok. 0,5 m

• woda kapilarna pojawiająca się w strefie aeracji dzięki siłom powierzchniowym

• woda wolna infiltrująca w głąb utwor

• woda wolna zawieszona

Woda w strefie saturacji

• zwierciadło w podziemnych - gna granica strefy saturacji swobodnej warstwy

- swobodne - kształtuje się pod wpływem sił cięŜkości

- napięte - wymuszone przez spąg warstwy nadległej

• utwory wodonośne - utwory zawierające wodę wolną

• poziom wodonośny - zawodniona część skały porowej lub szczelinowej

Przestrzenny obraz zwierciadła

• Hydroizohipsy

• Hydroizobaty

• Hydroizopiezy

Właściwości hydrogeologiczne skał

• Porowatość - występowanie w skale sieci drobnych prŜi między ziarnami mineralnymi

• Szczelinowatość - istnienie szczelin

• Krasowatość - występowanie prŜi powstałych wskutek zjawisk krasowych

WYKŁAD 5

Rodzaje zanieczyszczeń

• w gnictwie - wiercenia, odkrywki, magazynowanie gazu, eksploatacja złŜó

• w przemyśle - emisja, zrzut ściek, składowiska odpad

• w rolnictwie - nawozy, środki ochrony roślin, nawodnienia

• w gosp. komunalnej - ścieki, składowiska, cmentarze

• w transporcie - składowanie i transport produkt ropopochodnych, środki przeciw

Oblodzeniu

Strefy ochronne

• Teren ochrony bezpośredniej - miejsce poboru wody wraz z obiektami i urządzeniami związanymi bezpośrednio z poborem.

• Teren ochrony pośredniej - obszary mogące negatywnie wpłynąć na ilość lub jakość wody (np. obszary zasilania, obszary potencjalnie zanieczyszczone)

WYKŁAD 6

Hydrologia zlewni rzecznej

Zlewnia - część powierzchni terenu zamknięta działem wodnym w dowolnym profilu (np. wodowskazowym, zapory, mostu, ujścia cieku), z ktego wody spływają do jednego wspnego odbiornika (rzeki, jeziora, bagna). W przypadku, gdy zlewnia obejmuje cały system rzeczny, tj. system rzeki głnej i jej dopływ, pojecie zlewni jest rnoznaczne z pojęciem dorzecza.

Parametry fizyczno-geograficzne zlewni

• połoŜenie przestrzenne - wspłzędne, środek cięŜkości

• geometria - powierzchnia, długość, szerokość, obw, kształt, długość stok

• rzeźba powierzchni - wysokości, spadki

• sieć hydrograficzna - długość ciek, gęstość sieci, jeziorność, wskaźnik zabagnienia

• uŜytkowanie terenu - lesistość, stopień zurbanizowania

• litologia - szorstkość, parametry wodne

• struktura hydrogeologiczna - przewodność hydrauliczna, odsączalność

Bilans wodny zlewni

• dla wielolecia (ponad 10 lat)

P H E

gdzie:

P - opad atmosferyczny na powierzchnię zlewni

H - odpływ (powierzchniowy i podziemny)

E - parowanie

• dla krszego czasu

P H E  R

gdzie:

P - opad atmosferyczny na powierzchnię zlewni

H - odpływ (powierzchniowy i podziemny)

E - parowanie

R - zmiana retencji

Fazy cyklu hydro zlewni

Hydrogram odpływu

Hydrogram odpływu to krzywaprzepływ w funkcji czasu określona w profilu hydrologicznym cieku. Q Q (t 

System hydrologiczny

• System to zbi obiekt wraz z relacjami zachodzącymi pomiędzy tymi obiektami oraz pomiędzy ich atrybutami (np. zlewnia).

• Obiekty to części systemu (np. proces przepływu w podziemnych).

• Atrybuty to właściwości, cechy charakterystyczne obiektu (np. wspłzynnik filtracji warstwy wodonośnej).

• Otoczenie systemu to zbi obiekt nie naleŜących do systemu (np. atmosfera).

• Stan to opis obiekt w postaci wartości wybranych zmiennych (np. rzędna zwierciadła w podziemnych).

• Wymuszenia to oddziaływanie otoczenia na system (np. opad atmosferyczny).

• Reakcja to spos w jaki system (jego aktualny stan) wpływa na otocznie (np. odpływ ze zlewni).

Modele przepływu

• modele hydrodynamiczne - trwymiarowe rnania bazujące na prawie zachowania

masy i energii (rnania Naviera-Stokesa, rnania Saint-Venanta)

• modele typu wejście-wyjście (hydrograf jednostkowy UH, chwilowy hydrograf

jednostkowy IUH)

Kalibracja

Kalibracja to proces doboru parametr rnań opisujących dynamikę modelowanych proces, kte zagwarantują wystarczającą zgodność modelu z rzeczywistością. Kryteria:

- wysokość hydrauliczna

- przepływ/stan wody w rzekach

- zawartość wody w strefie aeracji

• parametry warstwy wodonośnej

- wspłzynnik filtracji

- wspłzynnik wodopojemności

• parametry kanału

- oporność hydrauliczna

- wspłzynnik przesiąkania

- 32 -

---