Hydrologia

1.Obieg wody w przyrodzie

Obieg wody w przyrodzie to ciągłe przemieszczanie się wody między atmosferą, hydrosferą i litosferą. Motorem przemieszczania się wody jest energia słoneczna. Obejmuje dolną warstwę atmosfery, zachodzi do głębokości 800 metrów. Stanowi zamknięty cykl hydrologiczny obejmujący dwie fazy: atmosferyczną i kontynentalną.

Duży obieg wody = faza atmosferyczna + faza lądowa

a) Faza atmosferyczna

Faza atmosferyczna zachodzi w atmosferze. Rozpoczyna się na powierzchni oceanu, gdy kropla wody wyparuje z powierzchni oceanu. Następnie para wodna pod wpływem wiatru przemieszcza się nad kontynentem, gdzie zachodzi kondensacja pary wodnej i występuje opad. Kiedy kropla, która wyparowała dotknie powierzchni lądu kończy się faza atmosferyczna a zaczyna faza lądowa.

b) Faza lądowa

Faza lądowa zaczyna się, gdy kropla wody, która wyparowała z oceanu dotknie powierzchni kontynentu. Kropla deszczu może spłynąć po powierzchni w postaci odpływu powierzchniowego (Hp), może wyparować do atmosfery, może ulec retensji, czyli czasowemu zatrzymaniu na powierzchni terenu, może też infiltrować i spłynąć w postaci odpływu grutowego (Hg).

Odpływ całkowity

Hc = Hp + Hg

Hc- odpływ całkowity

Hp- odpływ powierzchniowy

Hg- odpływ gruntowy

Bilans wodny świata

Co rocznie tym obiegu uczestniczy 577000 km³ wody. W ciągu roku jest wymieniana taka objętość wody. W ciągu roku ulega wymianie 0,04% zapasów hydrosfery.

P = E

Po + Pk = Eo + Ek

458 000 + 119 000 = 505 000 + 72 000

80% + 20% = 87% + 13%

P- opad

E- parowanie

Po- opad na oceanie

Pk- opad na powierzchni kontynentu

Eo- parowanie na ocenanie

Ek- parowanie na powierzchni kontynentu

- w latach wilgotnych opad będzie większy niż parowanie, co spowoduje podniesienie się wody w ocenie

- w latach suchych poziom oceanu się obniży,

- nad oceanami jest większa wilgotność, ponieważ powierzchnia oceanów jest większa od powierzchni kontynentów.

Podział dużego obiegu wody

a) mały obieg wody – faza oceaniczna

b) mały obieg wody – faza kontynentalna

a)Faza oceaniczna

Po= Eo – Hc 458000= 505000 – 47000

Eo= Po + Hc 505000= 458000 + 47000

Eo > Po

- parowanie z oceanu jest większe niż opad na powierzchni oceanu.

b)Faza kontynentalna

Pk= Ek + Hc 119000= 72000 + 47000

Ek= Pk – Hc 72000= 119000 – 47000

Pk > Ek

- opad na powierzchni kontynentu jest większy niż parowanie z powierzchni kontynentu,

- na kontynencie powstaje nadwyżka wody, która zasila odpływ.

100 jednostek = średni roczny opad globalny 857mm

Zasoby wodne, to corocznie odnawialna część zapasów wódy (m³, km³).

Zapasy wody, to łączna ilość wody na danym obszarze.

Zapasy wód podziemnych to łączne zasoby wód podziemnych na określonym terenie. Obejmują:

1. zapasy wód poziemnych statystyczne; nie biorą udziału w obiegu, występują na dużych głębokościach, nie zasilają rzek, jezior, są nieodnawialne.

2. zasoby wód podziemnych dynamicznych; naturalne zasoby, uczestniczą w obiegu, są odnawialne, występują płytko.

Zapasy wodne hydrosfery

łączna objętość wody na świecie = 1,4 mld km³

morza i oceany = 96,5%

wody zawarte w lodowcach = 1,7%

wody podziemne = 1,7%

wody jezior, bagien, rzeki, para wodna, itd. = 0,1%

wody słone na kontynencie = 1,0%

Zasoby wód słodkich

35 mln km³ = 2,5% z wartości 1,4 mld km³

Najwięcej wód słodkich występuje w:

- lodowce = 68,7%

- wody podziemne = 30,1%

- wieloletnia zmarzlina = 0,9%

- wszystkie pozostałe = 0,3%

Europa

1,4 mln km³ = 0,001% z wartości 1,4 mld km³

- wody podziemne = 99%

- lodowce = 0,7%

- pozostałe rodzaje = 0,3%

4.Termika jezior

1.Termiczna klasyfikacja jezior kuli ziemskiej

a)Jeziora polarne

- położone wysoko w górach lub za kołem podbiegunowym,

- mają stale odwrócone uwarstwienie termiczne wody,

- przy powierzchniowe warstwy wody są zimne,

- wraz ze wzrostem głębokości temperatura wody podnosi się do ok.+4^oC przy dnie,

- zamarznięte prawie przez cały rok,

- pokryte przez lód i śnieg,

- rozmarzają na krótko i wówczas temperatura wody nie przekracza +4^oC.

b)Jeziora umiarkowane

- najbardziej rozwinięty cykl termiczny,

- gęstość (ciężar właściwy wody) jest największy w temperaturze 4^oC,

- uwarstwienie termiczne spowodowane różną gęstością wody w różnej temperaturze.

a)Klimat umiarkowany – okres letni

• Stratygrafia prosta, inaczej normalna albo anotermia

- charakteryzuje się spadkiem temperatury wraz z głębokością. Jej wynikiem są 3 warstwy wody:

a) epilimnion

- warstwa przy powierzchniowa,

- woda najcieplejsza,

- niewielki spadek temperatury wraz z głębokością,

- grubość warstwy zależy głównie od wiatru.

b) metalimnion

- warstwa skoku termicznego – termoklina,

-duży spadek temperatury wraz z głębokością.

c) hypolimnion

- warstwa naddenna, najgłębsza,

- posiada stałą temperaturę wody w granicach 4 – 5^oC.

b)Klimat umiarkowany – okres zimowy

• Stratygrafia odwrócona, inaczej katotermia

- wody cieplejsze o temperaturze bliskiej +4^oC zalegają pod zimniejszą, ale lżejszą wodą powierzchniową,

- woda powierzchniowa w górnej strefie zamarznąć.

c)Klimat umiarkowany – okres wiosna, jesień

• Homotermia

- wyrównanie temperatury w pionie od powierzchni do dna,

- temperatura wody w pionie +4^oC,

- wymieszanie wody w obrębie całego jeziora,

- homotermia wiosenna zachodzi wiosną po przejściu od stratyfikacji termicznej odwróconej do prostej,

- homotermia jesienna zachodzi jesienią po przejściu od stratyfikacji termicznej prostej do odwróconej.

Bar termiczny, inaczej próg lub przegroda termiczna

- występuje w jeziorach głębokich, z dobrze rozwiniętą strefą przybrzeżną, przy zmianie stratyfikacji termicznej odwróconej w prostą i z prostej na odwróconą,

- zjawisko to polega na występowaniu w pewnej odległości od brzegu wąskiej strefy wody sięgającej od powierzchni jeziora do dna,

- jednakowa temperatura w strefie baru termicznego ok.+4^oC,

- jezioro podzielone na dwie części: aktywności i bezwładności cieplnej.

c)Jeziora subtropikalne (strefy podzwrotnikowej)

- nie mają uwarstwienia odwróconego,

- przez cały rok woda w jeziorach ma uwarstwienie proste,

- cechą charakterystyczną dla uwarstwienia prostego jest duża różnica pomiędzy temperaturą wody powierzchniowej a temperaturą wód dennych, która zbliżona jest do + 4^oC.

d)Jeziora tropikalne (strefy równikowej)

- tylko uwarstwienie proste,

- małe różnice pomiędzy temperaturą wód epilimnionu i hipolimnionu,

- temperatura wód epilimnionu ok. 30-34^oC, hipolimnionu 24-26^oC.

Zlodzenie rzek i jezior – różnice

a)Zlodzenie rzeki

1.Faza zamarzania

- śryż, kryształki lodu tworzone w całej masie przechłodzonej wody

- lód denny, tworzy się w płytkich brzegach w czasie mroźnych, bezchmurnych nocy w wyniku wyparowania ciepła z dna rzeki,

- lód prądowy, tworzy go śryż połączony z lodem dennym,

- lepa, śnieg zmieszany z wodą

- lód brzegowy, zamarzanie następuje od brzegów, ląd zamarza szybciej niż woda.

2.Faza występowania trwałej pokrywy lodowej

- cała rzeka pokryta jest lodem.

3.Faza rozpadu pokrywy lodowej

- kra lodowa; łamanie lodu

- zator lodowy; napotkani przeszkody przez spływającą krę.

b)Zlodzenie jeziora

1.Faza zamarzania

- lepa,

-lód brzegowy,

- nie ma lodu dennego ani śryżu!

- zamarzanie i odmarzanie jeziora zaczyna się od brzegu,

2.Faza rozpadu pokrywy lodowej

- kra,

- zatory występują rzadko.

3. Ekstremalne zjawiska hydrologiczne

a)Wezbranie

- podniesienie stanu wody w rzece na skutek wzmożonego zasilania lub piętrzenia wody,

- powstają w wyniku: długotrwałych opadów deszczu, gwałtownych roztopów, zatoru lodowego, zatoru śryżowego, nagromadzenia pni drzew lub nadmiernego rozwoju roślinności w korycie rzeki,

- piętrzenie wody w ujściowych odcinkach rzek może być spowodowane sztormami,

- w przypadku wezbrań spowodowanych długotrwałymi opadami lub roztopami wysoki stany wody są wynikiem zwiększonego odpływu wody,

- w przypadku wezbrań spowodowanych piętrzeniem wody w korycie wysokie stany wody nie wynikają ze zwiększonego odpływu,

- granicę stanowi średni wysoki stan wody SWW,

- stan wody nie jest funkcją natężenia przepływu,

- wezbranie najczęściej zaczyna się w górnej części dorzecza i narastając przemieszcza się w dół.

Podział wezbrań ze względu na przyczynę je wywołującą i czas występowania:

- wezbrania opadowe nawalne, spowodowane gwałtownymi ulewami letnimi (głównie w górach),

- wezbrania opadowe rozlewne, spowodowane opadami ciągłymi,

- wezbrania roztopowe, wywołane gwałtownym topnieniem pokrywy śnieżnej,

- wezbrania zatorowe lodowe, spowodowane spiętrzeniem wody przez zator w czasie spływu lodów, towarzyszą zwykle roztopom,

- wezbrania zatorowe śryżowe, wywołane spiętrzeniem wody spowodowanym zatkaniem przekroju rzeki przez ryż i lód denny,

- wezbrania sztormowe, spowodowane sztormami utrudniającymi odpływ rzeczny do morza, występują przy silnych wiatrach wiejących od morza.

Wysokość i przebieg wezbrań opadowych zależą od:

- intensywności i wydajności opadów atmosferycznych,

- powierzchni objętej opadem w stosunku do całej zlewni,

- cech fizycznogeograficznych zlewni,

- stanu retencyjnego zlewni,

- ukształtowania koryta rzeki,

- rozłożenia ujść ważniejszych dopływów wzdłuż biegu recypienta.

Wysokość i przebieg wezbrań roztopowych zależą od:

- grubości pokrywy śnieżnej i zawartości wody w śniegu,

- intensywności topnienia śniegu,

- głębokości przymarznięcia gruntu,

- cech morfometrycznych zlewni.

Podstawą fali wezbraniowej może być:

- stan średniej rocznej wielkiej wody (SWW), oznacza on wezbranie wielkie, przekraczające stan pełnokorytowy, więc zalewający równinę zalewową, są to często wezbrania katastrofalne powodujące powódź,

- stan niskiej wielkiej wody (NWW), zbliżony do stanu pełnokorytowego, wyznacza wezbrania duże, mieszczące się w korycie, ale podtapiające równinę zalewową,

- stan odpowiadający dolnej granicy strefy stanów wysokich, wyznacza wezbrania małe.

Falę wezbraniową charakteryzuje:

- całkowita objętość fali (V_w),

- natężenie przepływu kulminacyjnego (Q_maks.), który jest przepływ odpowiadający najwyższemu stanowi wody podczas danego wezbrania,

- czas trwania wezbrania (t_w).

Prędkość przemieszczania się fali zależy od:

- spadku podłużnego rzeki,

- kształtu poprzecznego przekroju łożyska.

b)Powódź

- pojęcie ekonomiczne,

- wezbranie powodujące starty i szkody materialne,

- nie każde wezbranie jest powodzią,

- każda powódź jest spowodowana wezbraniem.

c)Niżówki

- okres niskich stanów wody w korycie rzeki, spowodowany ograniczonym zasilaniem rzeki wynikającym z wyczerpania się zasobów wodnych dorzecza,

- granicę niżówki stanowi średni niski stan wody SNW, oblicza się go z wielolecia, co 10 lat,

- przyczynami niżówki są: małe opady lub ich brak, w zimie natomiast niska temperatura powietrza, w wyniku której jest słabe topnienie lodowców, utrzymywanie się pokrywy śnieżnej i zjawisk lodowych w rzekach.

Rodzaje niżówki:

a)niżówka płytka, która występuje, gdy stany wody w rzece przez co najmniej kilkanaście dni wahają się między dolną granicą stanów średnich a średnim niskim stanem wody,

b)niżówka głęboka, gdy stany wody znajdują się poniżej średnich niskich stanów.

Podstawowa charakterystyka ilościowa niżówki:

- przepływ ekstremalny niżówki (Q_min.n),

- przepływ średni niżówki (Q_śr..n),

- objętość niżówki (objętość niedoboru wody V_n),

- czas trwania niżówki (t_n).

Fazy niżówki:

a)susza atmosferyczna, czyli niedostatek opadów. Brak opadów może uruchomić mechanizm posuchy, wówczas, gdy temu bezdeszczowemu okresowi towarzyszy wysoka temperatura powietrz zwiększająca parowanie.

b)susza glebowa, rozwija się pod wpływem suszy atmosferycznej. Wyczerpują się zasoby wody wolnej w gruncie, maleją zasoby wilgoci glebowej, rozpoczyna się wysychanie gleb. Rozwój tej suszy może być zahamowany przez każdy opad uzupełniający zapasy wilgoci glebowej.

c)susza hydrologiczna, wywołana dalszym brakiem opadów. Wody gruntowe zostają pozbawione zwykłej alimentacji opadowej. Brak wody w strefie aeracji wody wolnej i ciągły odpływ podziemny do rzek sprawiają, że zwierciadło wód gruntowych obniża się, malej też odpływ podziemny do rzek, co powoduje obniżenie się stanu wody w rzece. Każdy opad o przeciętnej intensywności zużywa się na uzupełniania wilgoci glebowej i parowanie terenowe. Opady o dużej intensywności dają spływ powierzchniowy, gdyż przesuszona gleba nie pozwala na wystarczająco szybkie wsiąkanie. W wyniku tego zasoby wody gruntowej ciągle maleją, zaczynają wysychać źródła i małe cieki, w rzekach pojawiają się głębokie niżówki. Jeśli ilość wody zasilającej rzekę spada do zera, rzeka przestaje prowadzić wodę.

2. Metody pomiaru natężenia przepływu

Przepływ(Q), jest to objętość wody płynąca korytem rzeki w ciągu 1s. Jednostki to: m³/s, l/s, dcm³/s.

1. Metoda podstawionego naczynia (wolumetryczna)

- najprostsza i najdokładniejsza metoda pomiaru natężenia przepływu,

- za jej pomocą mierzy się tylko niewielkie przepływy,

- naczynie pomiarowe posiada przedziałkę wysokościową lub objętościową,

- określa wartości średnie dopływu w ciągu pewnych odcinków czasu.

2. Metoda zastawkowa

- mierzy małe objętości,

- mierzy się za pomocą przegrodzenia koryta ścianką spiętrzającą,

- pomiar wysokości warstwy wody przelewającej się ponad ścianką spiętrzającą służy do określenia natężenia przepływu wody,

- krawędzie przelewowe powyżej zwierciadła wody odpływu, przepływ strumienia wodnego nad krawędzią odbywa się swobodnie,

- zastawki między sobą różnią się kształtem wycięcia, wyróżnić można:

a) zastawkę przelewową Ponceleta

- przelew za ściankę zamykającą całe koryto z wyciętym otworem prostokątnym w środkowej części ścianki,

- szerokość otworu = 1/3 szerokości koryta.

b) zastawka Thomsona

- wycięcie w ścianie otworu w kształcie trójkąta z wierzchołkami skierowanym ku dołowi,

- mierzy małe objętości.

3. Metoda chemiczna

- pomiaru wykonuje się przy wykorzystaniu soli kuchennej,

- mierzy się natężenie przepływu małych potoków górskich

- w miejscu najdokładniejszego wymieszania się roztworu soli z wodą pobiera się próbkę wody i bada stopień koncentracji,

- wyróżnia się metody bilansowe lub rozcieńczenia porcji wskaźnika.

4. Metoda kulometryczna

- zastosowanie barwnika np. fluorosceina, eozyna, dwuchorman sodu,

- wyróżnia się metodę bilansową lub rozcieńczenia porcji wskaźnika,

- w metodzie bilansowej pobranie próbek skoncentrowanego roztworu barwnika niezabarwionej wody naturalnie i zabarwionej,

- mierzy się zabarwianie za pomocą kolorymetru lub fotokolorymetru.

5. Metoda termometryczna

- metoda dokładna,

-stosowana w miejscu, gdzie do większego cieku wodnego wpada mniejszy ciek wody.

6. Metoda młynkowa

- sondowanie przekroju poprzecznego(F) z równoczesnym określeniem odległości,

- każdy punkt w przekroju ma odległość oraz głębokość,

- prędkość przepływu mierzy się za pomocą młynka hydrometrycznego,

- młynek mierzy punkty prędkości przepływu,

- wykonuje się kilka pomiarów pola prędkości,

- liczba punktów pomiarów prędkości jest uzależniona od głębokości w miejscu pomiaru, a ich rozmieszczenie określają warunki przepływu,

- pomiary, w których dokonuje się pomiaru prędkości pokrywają się z punktami sondowania,

- wartość współczynnika redukcyjny waha się od 0,5-0,9.

7. Metoda pływakowa

- głębokość mierzona przez sondowanie,

- pomiar prędkości przepływu na prostym odcinku o długości nie mniejszej niż 4-krotna szerokość,

- miejsce przepłynięcia pływaków określa się przez linię przekroju,

- piony pomierzonej prędkości są tam gdzie przeszedł pływak,

- prędkość pionu to prędkość ruchu pływaków, jest większa niż prędkość średnia w pionie,

- współczynnik redukcyjny 0,7-09-,9.