Krzywa natężenia przepływu przedstawia związek regresyjny pomiędzy jednocześnie zmierzonymi wartościami przepływów i stanów wody. Krzywa ta jest nazywana często krzywą konsumcyjną. Analizując związek przyczynowo skutkowy między natężeniem przepływu i stanem wody należy stwierdzić, że przyczyną jest w tym przypadku przepływ, który jest wynikiem zasilania rzeki przez wody podziemne i spływ powierzchniowy. Stan wody, będący miarą napełnienia koryta, jest skutkiem wywołanym przez masę wody płynącej korytem rzeki. W rzeczywistości krzywa natężenia przepływu jest funkcją wielu zmiennych, z których większość ulega zmianom w czasie.
Q = f (H, I, F, n, X, z)
Q- natężenie przepływu,
H - stan wody,
I - spadek zwierciadła wody,
F - powierzchnia przekroju poprzecznego,
n - współczynnik szorstkości koryta,
X - obwód zwilżony,
z - pozostałe czynnik
Kształt i punkty szczególne krzywej natężenia przepływu
Punkt denny krzywej natężenia przepływu wyznacza stan wody, przy którym natężenie przepływu jest równe zero. Q=0
Punkt załamania wyznaczony jest przez przecięcie się skarpy brzegowej koryta głównego ze skarpą koryta, w którym występują najniższe stany wody.
Punkt brzegowy znajduje się na poziomie stanu brzegowego, czyli stanu wody odpowiadającego położeniu krawędzi brzegów koryta głównego cieku.
Punkt graniczny krzywej natężenia przepływu odpowiada najwyższemu stanowi, jaki wystąpił w danym przekroju wodowskazowym w okresie obserwacji.
Niestacjonarność krzywej natężenia przepływu
Najistotniejszymi czynnikami wpływającymi na rozrzut punktów pomiarowych są:
Zmiany warunków pomiaru stanu wody - mogą być spowodowane następującymi przyczynami technicznymi:
Zmiana poziomu zera wodowskazu
Zmiana przekroju wodowskazowego w wyniku przeniesienia posterunku pomiarowego w inne miejsce wzdłuż biegu rzeki
Zmiany kształtu przekroju poprzecznego koryta i doliny rzecznej - mogą mieć przyczyny naturalne lub są wynikiem działalności człowieka. Najczęściej wyróżniamy:
Zmiany koryta rzeki spowodowane erozją dna lub akumulacją materiału dennego w przekroju pomiarowym
Zmiany kształtu przekroju poprzecznego rzeki spowodowane regulacją lub obwałowaniem koryta
Sezonowe zmiany warunków przepływu wody w rzece - związane są z rocznym cyklem zjawisk geofizycznych i przyrodniczych. Do czynników powodujących niestacjonarność tej krzywej zaliczamy:
Zarastanie koryt rzecznych w okresie letnim
Zjawiska lodowe w okresie zimowym
Oba te zjawiska powodują zmniejszenie powierzchni czynnej przekroju poprzecznego koryta oraz zwiększenie oporów ruchu wody, co powoduje zwiększenie stanów wody
Zmiany podłużnego spadku zwierciadła wody
Przepływy charakterystyczne.
Dysponując w określonym przekroju wodowskazowym ciągiem codziennych przepływów z pewnego okresu można dla tego zbioru obserwacji określić wartość maksymalną, minimalną oraz średnią. Charakterystyki te nazywane są głównymi. Wartość średnia przepływu jest średnią arytmetyczną wyznaczoną ze wszystkich elementów tego zbioru. W ciągu obserwacji przepływów można wyodrębnić okresy charakterystyczne wynikające z okresowości zjawisk hydrologicznych. Większość charakterystyk przepływu rzecznego i innych zjawisk hydrologicznych wyznaczana jest w przedziałach czasu wynikających głównie z okresowości zjawisk geofizycznych, a przede wszystkim okresowości rocznej. Inne okresy charakterystyczne wynikają z podziału roku na dwa półrocza lub na poszczególne miesiące. W odniesieniu do przepływów głównych można w wybranych okresach miesięcznych, sezonowych lub rocznych określić odpowiednio wartości maksymalne, minimalne oraz średnie. Mając na względzie jednoznaczność oznaczania przepływów charakterystycznych głównych wprowadzono następujące oznaczenia:
Przepływy główne wyznaczone w ten sposób noszą nazwę przepływów charakterystycznych głównych pierwszego rzędu.
Dysponując ciągiem obserwacji codziennych przepływów obejmujących okres kilku lat można w każdym roku wyznaczyć przepływy główne pierwszego rzędu, a następnie z ciągu wartości tych przepływów w wieloleciu można wybrać po 3 charakterystyki główne, czyli wartość najmniejszą, największą i średnią. Postępując w ten sposób otrzymujemy przepływy główne drugiego rzędu. Oznaczamy je w następujący sposób: WWQ, SSQ, NNQ.
Przepływy konwencjonalne są ustalane na potrzeby związane z wyzgrzytaniem i ochroną zasobów wodnych, bądź ograniczeniem szkodliwego działania wód. Przykładami przepływów konwencjonalnych są: najwyższy i najniższy przepływ żeglowny, przepływ dozwolony, przepływ dopuszczalny, przepływ nienaruszalny, przepływ brzegotwórczy. Najwyższy przepływem żeglownym nazywa się przepływ odpowiadający takiemu stanowi, powyżej którego żegluga nie powinna się odbywać. ustalany jest on na poziomie wartości przepływu średniego SWQ lub ustalany jest jako przepływ maksymalny roczny o prawdopodobieństwie wystąpienia równym 60% z przepływów maksymalnych. Najniższy przepływ brzegowy. Na niektórych odcinkach drogi wodnej ustalane jest najniższy przepływ żeglowny definiowany, jako przepływ, poniżej którego nie może odbywać się żegluga. Wartość tego przepływu ustalana jest ze względu wymaganej głębokości i szerokości zapewniające swobodny i bezpieczny ruch statków> przepływ dozwolony nazywa się największy przepływ, który nie powoduje szkód powodziowych, Możemy przyjmować go jako średnią arytmetyczną z przepływów wielkich SWQ lub na poziomie przepływu o prawdopodobieństwie wystąpienia Q50% WQ. Przy określanie przepływu dozwolonego należy brać pod uwagę przepływ odpowiadający stanowi brzegowemu, powyżej którego woda wylewa się na tereny zalewowe
W przypadku przepływu dopuszczalnego zakłada się możliwość wystąpienia nieznacznych szkód powodziowych. Decyzje o wielkości przepływu dopuszczalnego podejmuje się indywidualnie w zależności od zagrożenia powodziowego. Przepływ ten może przyjmować również w przybliżeniu wartość przepływu maksymalnego o prawdopodobieństwie wystąpienia od 20-40%.
Przepływ nienaruszalny nazywa się graniczną wartość przepływu rzecznego, poniżej której przepływ wody w rzece nie powinien być zmniejszany na wskutek działalności gospodarczej. Dlatego nie wolno pobierać wody z rzeki do celów gospodarczych w okresach niżówek. Przepływ nie naruszalny ustalany jest w poszczególnych przekrojach poprzecznych rzeki ze względu na potrzeby ochrony środowiska przyrodniczego i życia biologicznego oraz wymagania społeczne związane z rekreacją i wypoczynkiem. Podstawowymi kryteriami określania wielkości przepływu nienaruszalnego są:
przesłanki hydrobiologiczne warunkujące zachowanie podstawowych form flory i fauny charakterystycznych dla środowiska wodnego rzek
wymaganie rybacko wędkarskie
ochrona obiektów przyrodniczych o charakterze parków narodowych i rezerwatów oraz zachowanie piękna krajobrazu
wymagania rzecznej turystyki wodnej
Przepływ brzegotwórczy zwany także procesem korytotwórczym jest przepływem najsilniej wpływającym na formowanie się koryta rzecznego. Procesy brzegotwórcze zależą od siły transportu rumowiska rzecznego, oraz od czasu oddziaływania tej siły.
Przy określaniu przepływu dozwolonego należy brać pod uwagę przepływ odpowiadający stanowi brzegowemu, powyżej którego woda wylewa się na tereny zalewowe.
W przypadku przepływu dopuszczalnego zakłada się możliwość wystąpienia nieznacznych szkód powodziowych. Decyzję o wielkości przepływu dopuszczalnego podejmuje się indywidualnie w zależności od zagrożenia powodziowego. Przepływ ten może przyjmować również w przybliżeniu wartość przepływu maksymalnego o prawdopodobieństwie wystąpienia od 30-40%.
Przepływ nienaruszalny (Qn) nazywa się graniczną wartość przepływu rzecznego, poniżej której przepływ wody w rzece nie powinien być zmniejszany na skutek działalności gospodarczej. Dlatego nie wolno pobierać wody z rzeki do celów gospodarczych w okresach niżówek, gdy przepływ osiągnął wartość równą lub mniejszą przepływu nienaruszalnego. Przepływ nienaruszalny ustalany jest w poszczególnych przekrojach poprzecznych rzeki ze względu na potrzeby ochrony środowiska przyrodniczego i życia biologicznego w wodzie oraz wymagania społeczne związane z rekreacją i wypoczynkiem. Podstawowymi kryteriami określania wielkości przepływu nienaruszalnego są:
Przesłanki hydrobiologiczne warunkujące zachowanie podstawowych form flory i fauny charakterystycznych dla środowiska wodnego rzek.
Wymagania rybacko-wędkarskie
Ochrona obiektów przyrodniczych o charakterze parków narodowych i rezerwatów oraz zachowanie piękna krajobrazu
Wymagania rzecznej turystyki wodnej
Przepływ brzegotwórczy zwany także korytotwórczym jest przepływem najsilniej wpływającym na formowanie się koryta rzecznego. Procesy brzegotwórcze zależą od siły transportu rumowiska rzecznego oraz od czasu oddziaływania tej siły.
Krzywa sumowa odpływu, nazywana także krzywą całkową, jest to zbiór punktów o współrzędnych (t,v), gdzie t oznacza czas w układzie kalendarzowym, a v - całkowitą objętość odpływu od początku sumowania do chwili t. Ze względu na nieznajomość ciągłej postaci funkcji Q(t) nie przeprowadza się całkowania tej funkcji lecz sumuje się wartości odpływu z kolejnych dyskretnych przedziałów czasu Δt (np. dobowych, godzinowych). Krzywą sumową można opisać następującym równaniem
$V_{i} = t \bullet \sum_{j = 1}^{i = 1}Q_{j}$
Vi - Kolejna rzędna krzywej sumowej w chwili ti określająca objętość wody, jaka przepłynęła przez przekrój pomiarowy od chwili początkowej t0 = 0, w której i=0 oraz v0=0, do chwili ti=i*Δt
Kolejne wartości natężenia przepływu w przedziałach czasu Δt
Δt - długość przyjętego przedziału czasu
Do wykreślenia krzywej sumowej stosuje się dwa układy współrzędnych: prostokątny i skośny
Układ skośny układu współrzędnych dobieramy w taki sposób, aby kierunek poziomy odpowiadał przepływowi średniemu Qśr w okresie, dla którego wykreślana jest krzywa całkowa. Kolejne rzędne krzywej sumowej V (Ti) z układu prostokątnego odpowiadające chwilom ti zmniejsza się o wartość iloczynu ti*Qśr. W efekcie otrzymuje się wykres krzywej sumowej, która będzie przebiegać powyżej i poniżej prostej poziomej odpowiadającej przepływowi średniemu.