UNIWERSYTET ROLNICZY W KRAKOWIE KATEDRA INŻYNIERII SANITARNEJ
WYDZIAŁ ROLNICZO-EKONOMICZNY GOSPODARKI WODNEJ
KIERUNEK OCHRONA ŚRODOWISKA ROK AKADEMICKI 2013/2014

ĆWICZENIA Z GOSPODARKI WODNO-ŚCIEKOWEJ
[studia stacjonarne]

ĆWICZENIE 1: Obliczenie bilansu wodno-gospodarczy zlewni przy niżej podanych wartościach.

Ćwiczenie zawiera:

1. Wymienione w ćwiczeniu wartości dla bilansu wodno-gospodarczego.

2. Obliczenie przyrostu mieszkańców w perspektywie 20 lat.

3. Tabelę obliczeń sumarycznego zapotrzebowania na wodę na podstawie podanych w ćwiczeniu wartości.

4. Tabelę sum miesięcznych i rocznych opadów w mm za wielolecie 1951-1970, dane meteorologiczne dla stacji Chodzież.

5. Tabelę sum miesięcznych i rocznych opadów w mm z lat suchych, dane meteorologiczne dla stacji Chodzież.

6. Tabelę średnich miesięcznych i rocznych temperatur powietrza za wielolecie 1951-1970, dane meteorologiczne dla stacji Chodzież.

7. Tabelę miesięcznych sum niedosytów wilgotności powietrza w hPa, dane meteorologiczne dla stacji Chodzież.

8. Obliczenie zapotrzebowania na wodę dla produkcji roślinnej metodami: Hohendorfa, Ostronęckiego i Szarowa.

9. Tabelę optymalnych opadów w mm dla roślin uprawianych w Polsce w okresie wegetacyjnym (gleby średnio zwięzłe).

10. Tabelę z zestawieniem potrzeb wodnych dla użytkowników rolnych.

11. Obliczenie wielkości niedoborów dla użytków zielonych dla lat normalnych.

12. Obliczenie niedoborów wodnych dla użytków zielonych dla lat suchych i posusznych.

13. Tabelę z optymalnymi opadami w mm dla poszczególnych roślin.

14. Obliczenie niedoborów opadów dla żyta ozimego, buraków cukrowych i ziemniaków późnych.

15. Tabelę z sumarycznym zestawieniem niedoborów wodnych w mm dla lat normalnych.

16. Tabelę ze zbiorczym zapotrzebowaniem na wodę dla użytków zielonych, żyta ozimego, buraków cukrowych i ziemniaków późnych.

17. Tabelę ze zbiorczym zapotrzebowaniem na wodę w m³/sek.

18. Obliczenie przepływu miarodajnego.

19. Wykres z miesięcznym zapotrzebowaniem na wodę w zlewni w m³/sek.

DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD ĆWICZENIE WYKONALI:
ROK STUDIÓW: II 1. JAKUB WYKA
GRUPA: 4 2. EMIL WAWRUSZCZAK

Podane w ćwiczeniu wartości do bilansu wodno-gospodarczego zlewni:

1. Powierzchnia zlewni: ……………………………………… 208,0 km² = 20800ha.

2. Liczba mieszkańców: ……………………………………… 946

3. Przedszkole: ………………………………………………...-

4. Szkoła: ………………………………………………………-

5. Kino: ……………………………………………………….. -

6. Zakład pracy (biura): ………………………………………. 40

7. Przemysł: (piekarnia): ……………………………………… 250 kg

8. Użytki zielone: ………………………………………………21% = 4368ha

9. Zboża: ………………………………………………………. 5% = 1040ha

10. Buraki: ……………………………………………………….5% = 1040ha

11. Ziemniaki: …………………………………………………...36% = 7488ha

12. Trzoda chlewna: ……………………………………………..13500 sztuk

13. Krowy: ……………………………………………………….115 sztuk

14. Konie: ………………………………………………………... -

15. Drób: ………………………………………………………... 26500 sztuk

16. Inne (zlewnia mleka): …………………………………….… -

Obliczenie przyrostu mieszkańców w perspektywie 10 lat.

Liczba mieszkańców obecnie: 946

M_n – liczba ludności w w określonej perspektywie lat
M- aktualna liczba ludności

p – procent przyrostu rocznego (do obliczeń przyjmujemy p = 0,5)
n – liczba lat w perspektywie (do obliczeń przyjmujemy n = 10)

α = 1,05
M_n = 946 ⋅ 1,05 = 993

Ilość mieszkańców w perspektywie 10 lat: 993.

Tabela 1. Obliczenie sumarycznego zapotrzebowania na wodę.

Lp.	Wyszczególnienie	Ilość jednostek	Zapotrzebowanie jednostkowe [litr/jednostka/doba]	Zapotrzebowanie [litr/doba]	Zapotrzebowanie [m^3/doba]
1	Mieszkańcy	993	160	158880	158,88
2	Zakład pracy - biuro	40	20*	800	0,8
3	Przemysł -piekarnia	250 kg	2,0**	500	0,5
4	Trzoda chlewna - prosięta****	13500	20	270000	270
5	Krowy opasowe****	115	50	5750	5,75
6	Drób - indyki	2650	1	26500	26,5
				Suma:	462,43

*Zgodnie z normami wielkość zapotrzebowania waha się od 20 do 30. Do obliczeń wybieram wartość 20.

**Zgodnie z normami wielkość zapotrzebowania waha się od 1,5 do 2,0. Do obliczeń wybieram wartość 2,0.

***Trzoda chlewna - prosięta osadowe, bez instalacji wodociągowej.

****Krowa opasowa, bez instalacji wodociągowej.

*****Drób - indyki, bez instalacji wodociągowej.

Σ = 462,43 [m³/dobę] = 0,0054 [m³/sekundę]

Tabela 2. Sumy miesięczne i roczne opadów w [mm] za wielolecie 1951-1970.

Rok	Miesiące	Suma
	XI	XII
1951	23	9
1952	58	27
1953	28	15
1954	21	67
1955	16	68
1956	27	41
1957	14	23
1958	19	32
1959	8	83
1960	27	41
1961	43	27
1962	37	12
1963	70	24
1964	79	19
1965	16	49
1966	40	84
1967	45	77
1968	50	10
1969	51	22
1970	93	46
Średnie dla lat normalnych	36	51

Tabela 3. Sumy miesięczne i roczne opadów w [mm] z lat suchych.

Rok	Miesiące	Suma
	IV	V
1951	21	12
1952	29	58
1953	12	46
1954	46	27
1955	59	34
1956	25	9
1957	30	32
1958	19	61
1959	20	28
1963	7	37
1964	22	27
1965	44	69
1968	36	56
1969	47	78
Średnie dla lat suchych	30	41

Tabela 4. Średnie miesięczne i roczne temperatury powietrza
za wielolecie 1951-1970.

Rok	Miesiące	Średnia
	XI	XII
1951	6,5	2,6
1952	2,0	-1,5
1953	3,6	0,0
1954	2,2	2,8
1955	4,0	1,2
1956	0,2	0,4
1957	4,8	-1,2
1958	4,1	1,0
1959	2,4	0,6
1960	5,2	2,6
1961	3,8	-3,2
1962	3,9	-4,4
1963	6,6	-4,3
1964	4,0	0,5
1965	-1,3	0,4
1966	3,3	0,5
1967	4,2	-0,4
1968	4,3	-3,5
1969	5,6	-8,2
1970	4,6	1,3
Średnia z wielolecia

Tabela 5. Miesięczne sumy niedosytów wilgotności powietrza w [hPa].

1881-1930	-	-	-	-	-	IV	V	VI	VII	VIII	-	-
	-	-	-	-	-	106	146	186	206	166	-	-

Obliczenie zapotrzebowania na wodę dla produkcji roślinnej.

Trzy metody:

• Metoda optymalnych opadów

• Metoda higrometrycznego współczynnika parowania

• Metoda termicznego współczynnika parowania

Tabela 6. Optymalne opady w [mm] dla roślin uprawianych w Polsce

w okresie wegetacyjnym (gleby średnio zwięzłe).

Uprawy	IV	V	VI	VII	VIII
Zboża	30	90	60	50	40
Buraki	30	60	50	120	90
Ziemniaki	40	60	70	80	90
Użytki zielone	65	120	115	100	80

Obliczenie zapotrzebowania na wodę dla produkcji roślinnej
metodą Hohendorfa.

Opad optymalny – definiuje się, jako opad najbardziej korzystny przy danym rodzaju upraw i gleb.

Opady rzeczywiste (z wielolecia) – w zestawieniu z opadami optymalnymi pozwalają na ocenę poziomu potrzeb wodnych rośliny.

Dla obszaru Polski ilość opadów optymalnych opracował Hohendorf. Przyjął on podział upraw na 4 grupy:

-Zboża

-Buraki

-Ziemniaki

-Użytki zielone.

Przyjęte normy przez tego autora nie uwzględniają zróżnicowania wilgotności gleby, wilgotności powietrza, temperatury powietrza i wysokości plonów.

Zakładamy dla użytków zielonych 2 pokosy, przy plonie 30 kwintali/hektar.

E_1p = P_IV + P_V + 0,5 P_VI = 65 + 120 + 57,5 = 242,5 [mm/okres wegetacyjny]

E_2p = 0,5 P_VI + P_VII + P_VIII = 57,5 + 100 + 80 = 237,5 [mm/okres wegetacyjny]

Metoda higrometrycznego współczynnika parowania terenowego
zw. metodą Ostromęckiego.

E = β ^. ∑d

∑d - suma średnich dobowych niedosytów wilgotności powietrza według notowań stacji meteorologicznych wyrażona w hPa.

β - współczynnik zależny od rodzaju gleby, uwilgotnienia gleby, rodzaju roślinności, plonów wyrażony w mm/dobę/1 hPa niedosytu wilgotności powietrza.

E_1p = β_1p ^. ∑d_1p
β_1p = 0,62

∑d_1p = 106 + 146 + 93 = 345
E_1p = 0,62 ^. 345 = 213,9 [mm/okres wegetacyjny]

E_2p = β_2p ^. ∑d_2p
β_2p = 0,53
∑d_2p = 93 + 206 + 166 = 465
E_2p = 0,53 ^. 465 = 246,5 [mm/okres wegetacyjny]

Metoda termicznego współczynnika parowania zw. metodą Szarowa.

W tej metodzie parowanie terenowe określa się na podstawie sum temperatur powietrza:

∑ = α ^. ∑t [mm/okres wegetacyjny]

α - współczynnik zależny od stanu powierzchni parującej i mieszczący się w granicach 0,14 – 0,30 mm/dobę/1⁰C

∑ t – suma średnich dobowych temperatur powietrza za rozpatrywany czas (dla 1 i 2 pokosu) [^oC].

∑_1p = α_1p ^. ∑t_1p

∑t_1p = 7,6 + 12,8 + 0,5 ^. 17,7 = 29,25

α_1p = (0,62 ^. 345) : (7,6 + 12,8 + 0,5 ^. 17,7) = 7,13

∑_1p = 7,13 ^. 29,25 = 208,6 [mm/okres wegetacyjny]

∑_2p = α_2p ^. ∑t_2p

∑t_2p = 0,5 ^. 17,7 + 18,5 + 17,5 = 44,85

α_2p = (0,53 ^. 465) : (0,5 ^. 17,7 + 18,5 + 17,5) = 5,495

∑_2p = 5,495 ^. 44,85 = 246,5 [mm/okres wegetacyjny]

Tabela 7. Zestawienie potrzeb wodnych dla użytkowników rolnych w [mm].

Pokos	Metoda Hohendorfa	Metoda Ostromęckiego	Metoda Szarowa	Średnia
I	242,5	213,9	208,6	221,7
II	237,5	246,5	246,5	243,5

Obliczenie wielkości niedoborów dla użytków zielonych dla lat normalnych.

Niedoborem opadów nazywa się różnicę między parowaniem terenowym E, a rzeczywistym opadem atmosferycznym P.

N = E – P_RZECZ. [mm]

Rzeczywistymi opadami przyjmowanymi do określenia niedoboru wody mogą być:

-opad średni normalny z wielolecia P

-opad z lat suchych lub posusznych (średnia wartość opadu z lat o opadach mniejszych od opadów średnich normalnych z wielolecia)

Pp % - opad prawdopodobny, czyli opad o pewnym % prawdopodobieństwa wystąpienia oznaczany

W zależności od przyjętego opadu rzeczywistego wyróżnia się niedobory:

-średnie (normalne)

-niedobory dla lat suchych lub posusznych

-niedobory prawdopodobne

Przyjęcie do dalszych obliczeń odpowiednich niedoborów opadów uzależnione jest od rodzaju opadu intensyfikacji produkcji rolnej.

Przy intensywnej produkcji rolnej (warzywa, rośliny pastewne, użytki zielone) przyjmowane są niedobory o mniejszym prawdopodobieństwie wystąpienia N_10%.

Przyjęcie tych niedoborów do dalszych obliczeń gwarantuje w 90% lat możliwość uzupełnienia wody. Dla upraw polowych nieintensywnych ( zboża, łąki) przyjmowane są niedobory 20-25% albo niedobory z lat suchych lub posusznych.

N_p10% = A_p10% ^. E – B_p10% ^. P [mm]

N_1p = E_1p – P_1p [mm]

N_2p = E_2p – P_2p [mm]

I pokos:

E_1p = 221,7 mm

P_1p = P_IV + P_V + 0,5 ^. P_VI

P_1p = 35 + 51 + 0,5 . 56 = 114 mm

N_1p = 221,7 – 114 = 107,7 mm

II pokos:

E_2p = 243,5 mm

P_2p = 0,5 ^. P_VI + P_VII + P_VIII

P_2p = 0,5 . 56 + 90 + 61 = 179 mm

N_2p = 243,5 – 179 = 64,5 mm

Obliczenie niedoborów wodnych dla użytków zielonych dla lat
suchych i posusznych.

E_1p = 221,7 mm

E_2p = 243,5 mm

P_1p = P_IV + P_V + 0,5 ^. P_VI

P_2p = 0,5 ^. P_VI + P_VII + P_VIII

P_1p = 30 + 41 + 0,5 ^. 47 = 94,5 mm

P_2p = 0,5 ^. 47 + 75 +58 = 156,5 mm

N_1p = 221,7 – 94,5 = 127,2 mm

N_2p = 243,5 – 156,5 = 87 mm

N_p10% = A_p10% ^. E – B_p10% ^. P [mm]

N_p10% - prawdopodobieństwo wystąpienia niedoboru 10%.

E - parowanie terenowe I pokosu i II pokosu .

P - suma średniego rocznego opadu normalnego opadu z wielolecia dla lat normlanych

A_p10%, B_p10% – współczynniki regionalne uwzględniające zmienność opadu i niedosytu wilgotności i powietrza.

Przyjęto wartości współczynników w 1 pokosie:

A_10% = 1,18

B_10% = 0,72

N_p10% = 1,18 . 221,7 – 0,72 . 532 = – 121 mm

Przyjęto wartości współczynników w 2 pokosie:

A_10% = 1,19

B_10% = 0,62

N_p10% = 1,19 . 243,5 – 0,62 . 532 = - 40,075 mm

Obliczenie miarodajnych niedoborów opadów

dla zbóż, buraków, ziemniaków.

Niedoborem opadów nazywa się różnicę pomiędzy opadem optymalnym P_OPT w [mm] a opadem rzeczywistym P_rz w [mm].

Opad rzeczywisty – opad średni normalny z wielolecia.

N= P_OPT. – P_RZECZ.[mm]

Gdy opad optymalny jest większy od opadu rzeczywistego wtedy mówimy o niedoborze opadu.

Gdy opad rzeczywisty jest większy od opadu optymalnego wtedy niedobór nie występuje.

Do obliczeń przyjmujemy:

Zboże – pszenica ozima

Buraki – buraki cukrowe

Ziemniaki – ziemniaki wczesne

Tabela 8. Optymalne opady w [mm] dla poszczególnych roślin.

	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Pszenica ozima	35	65	70	60	-	-
Ziemniaki wczesne	-	60	80	60	-	-
Buraki cukrowe	50	50	60	90	90	60

Obliczenie niedoborów wodnych dla pszenicy ozimej:

IV P_OPT = 35 mm

P_RZ = 36 mm

Niedobór nie występuje

V P_OPT = 65 mm

P_RZ = 51 mm

N = 65 – 51 = 14 mm

VI P_OPT = 70 mm

P_RZ = 56 mm

N = 70 – 56 = 14 mm

VII P_OPT = 60 mm

P_RZ = 90 mm

Niedobór nie występuje

Obliczenie niedoborów wodnych dla ziemniaków wczesnych:

V P_OPT = 60 mm

P_RZ = 51 mm

N = 60 – 51 = 9 mm

VI P_OPT = 80 mm

P_RZ = 56 mm

N = 80 – 56 = 24 mm

VII P_OPT = 60 mm

P_RZ = 90 mm

Niedobór nie występuje

Obliczenie niedoborów wodnych dla buraka cukrowego:

IV P_OPT = 50 mm

P_RZ = 36 mm

N = 50 – 36 = 14 mm

V P_OPT = 50 mm

P_RZ = 51 mm

Niedobór nie występuje

VI P_OPT = 60 mm

P_RZ = 56 mm

N = 60 – 56 = 4 mm

VII P_OPT = 90 mm

P_RZ = 90 mm

Niedobór nie występuje

VIII P_OPT = 90 mm

P_RZ = 61 mm

N = 90 – 61 = 29 mm

IX P_OPT = 60 mm

P_RZ = 47 mm

N = 60 – 47 = 13 mm

Tabela 9. Sumaryczne zestawienie niedoborów wodnych w [mm]
dla lat normalnych.

Lp.	Rodzaj użytku	IV	V	VI	VII	VIII	IX
1	Użytki zielone (I pokos)	36	36	36	-	-	-
2	Użytki zielone (II pokos)	-	-	20	20	20	-
3	Zboża (pszenica ozima)	-	14	14	-	-	-
4	Buraki cukrowe	14	-	4	-	29	13
5	Ziemniaki wczesne	-	9	24	-	-	-

Tabela 10. Zbiorcze zapotrzebowanie na wodę dla użytków zielonych, żyta ozimego, buraków cukrowych i ziemniaków późnych.

Lp.	Nazwa użytku i powierzchnia	Miesiące
		IV
1	Użytki zielone (I pokos) Pow. 4368000 m^2	1572480
2	Użytki zielone (II pokos) Pow. 4368000 m^2	-
3	Zboża (pszenica ozima) Pow. 1040000 m2	-
4	Buraki cukrowe Pow. 1040000 m2	145600
5	Ziemniaki wczesne Pow. 7488000 m2	-
6	∑ m^3/m-c	1718080
7	∑ m^3/dobę	57269
8	∑ m^3/sek.	0,66

Tabela 11. Zbiorcze zapotrzebowanie na wodę w m³/sekundę.

Lp.	Użytkownik	Miesiące
		I
1	Gospodarka komunalna	0,054
	i przemysł
2	Użytki rolne	-
3	Suma	0,054

Przepływ nienaruszalny- ta część przepływu pozostawiana w danym przekroju poprzecznym cieku ze względów biologicznych (nie bierze udziału w pokrywaniu zapotrzebowania na wodę i w bilansie wodnym).

Q_b = α ∙ SNQ [m³/s]

α- współczynnik redukcyjny (każdorazowo uzgadniany z administracją wodną)

SNQ- średni niski przepływ z wielolecia. W praktyce wielkość przepływu nienaruszalnego przyjmuję się w granicach od 0,3-1

Miarodajne przepływy przyjmowane do określenia potrzeb wodnych zlewni to przepływy najdłużej trwające w ciągu okresu wegetacyjnego zwana przepływem średnim normalnym. Określamy go z krzywej częstotliwości, a w razie braku danych pomiaru przepływ określa się ze wzorów empirycznych.

Wzór Iszkowskiego na średnią wodę roczną:

Q_śr = 0,03171∙C_s∙P∙A [m³/s]

Gdzie:

Q_śr – przepływ średni [m3/s]

C_s - regionalny współczynnik odpływu rzek Polski (wartości 0,1 – 0,7)

P - suma roczna opadu z lat normalnych wyrażona w metrach [m]

A - powierzchnia zlewni wyrażona w km²

Przyjmujemy C_S = 0,55

Obliczenie przepływu miarodajnego.

Q_śr = 0,03171 ^. C_s ^. P ^. A [m³/s]

C_s = 0,55

Q_śr = 0,03171 ^. 0,532 ^. 208 = 1,93 [m³/s]

Przepływ dyspozycyjny określa się, jako różnicę ilości wód dopływających do danego przekroju poprzecznego cieku i ilości wód, jaka musi pozostać w rzece poniżej tego przekroju (przepływ nienaruszalny).

Q_dyspozycyjny = Q_śr – Q_{nienaruszalny} [m³/s]

Q_{nienaruszalny} = 15% ^. Q_śr [m³/s]

Q_{nienaruszalny} = 15% ^. 1,93 = 0,29 [m³/s]

Q_dyspozycyjny = 1,93 – 0,29 = 1,64 [m³/s]

Wykres przebiegu miesięcznego zapotrzebowania na wodę w [m³/s].

Charakterystyka zlewni

Zlewnia, której bilans wodno-gospodarczy obliczałem jest bardzo niewielką zlewnią. Najprawdopodobniej jest to wieś, na co wskazuje niewielka liczba mieszkańców 946 (w perspektywie 10 lat – 993), brak szkoły czy przedszkola, a jedynie niewielka ilość biur i piekarnia. Rośliny uprawne: użytki zielone (4368 ha), zboża (1040 ha), buraki (1040 ha) i ziemniaki (7488 ha) stanowią aż 67 % ogólnej powierzchni zlewni. Opisywania zlewnia jest intensywnie użytkowana przez rolnictwo, o czym oprócz wysokiej powierzchni zajmowanej, jako rośliny uprawne, świadczy również bogaty inwentarz żywy, na który składa się 13500 sztuk trzody chlewnej, 115 sztuk bydła oraz 26500 sztuk drobiu.

Średnia roczna suma opadów w zlewni z wielolecia wynosi 532 mm. Niestety aż 14 z 20 lat to lata suche, w których suma opadów jest niższa niż ta z wielolecia, co nie jest korzystne zwłaszcza dla rolnictwa. Średnia roczna temperatura z wielolecia wynosi 7,9 ^oC.

Zapotrzebowanie na wodę dla gospodarki i przemysłu wynosi 0,0054 m³/sekundę, na co składa się zwłaszcza wysokie zapotrzebowanie na wodę dla trzody chlewnej - prosiąt, które wynosi ponad 58%. Dla roślin uprawnych zapotrzebowanie liczyliśmy trzema metodami: Hohendorfa, Ostromęckiego i Szarowa w dwóch pokosach. Uśrednione wyniki to 221,7 mm dla pokosu I i 243,5 mm dla pokosu II. Niedobory wodne dla użytków zielonych wynoszą 107,7 mm (pokos I) i 64,5 mm (pokos II) dla lat normalnych oraz 127,2 mm (pokos I) i 87 mm (pokos II) dla lat suchych i posusznych. Znając optymalne opady dla pszenicy ozimej, ziemniaków wczesnych i buraków cukrowych obliczyliśmy miarodajne niedobory wodne dla tych roślin, które wynoszą: dla pszenicy po 14 mm w maju i czerwcu, dla buraków cukrowych 14 mm w kwietniu, 4 mm w czerwcu, 29 mm w sierpniu i 13 mm we wrześniu, dla ziemniaków wczesnych 9 mm w maju i 24 mm w czerwcu. Niedobory te mogą wpłynąć na wzrost roślin, co może przełożyć się się na straty finansowe dla rolników.

Przepływ dyspozycyjny w badanej zlewni wynosi 1,64 m³/s. To zdecydowanie więcej, niż wynosi zapotrzebowanie na wodę dla gospodarki komunalnej i przemysłu oraz użytków rolnych razem wziętych w miesiącach zimowych, późno-jesiennych oraz wczesno-wiosennych. W miesiącu maju, gdy zbiorcze zapotrzebowanie na wodę jest największe i wynosi 3,074 m³/s, przekracza ono prawie dwukrotnie wartość przepływu dyspozycyjnego. W czerwcu zapotrzebowanie na wodę (1,764 m³/s) jest również większe niż przepływ dyspozycyjny badanej zlewni. Znaczne przekraczanie wartości przepływu dyspozycyjnego w maju i czerwcu skłania ku konieczności gromadzenia zapasów wody w tych miesiącach, gdy zapotrzebowanie na wodę jest mniejsze niż wartość przepływu dyspozycyjnego. Zgromadzone zapasy wody pozwolą rolnikom na efektywne prowadzenie gospodarki rolnej w zlewni.