Katedra Inżynierii Sanitarnej Gospodarki Wodnej

Uniwersytet Rolniczy

im. Hugona Kołłątaja w Krakowie

Wydział Rolniczo – Ekonomiczny

Kierunek: Ochrona Środowiska

Rok akademicki: 2013/2014

ĆWICZENIA Z GOSPODARKI WODNO – ŚCIEKOWEJ

[studia stacjonarne]

Jaszczur Patrycja

Ewelina Kroczek

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.

Wymienione wartości dla bilansu wodno-gospodarczego

1. Powierzchnia zlewni: 17600ha = 176km

2. Liczba mieszkańców: 1910

3. Szkoła: 250

4. Kino: 20

5. Zakład pracy – biura: 15

6. Przemysł – zlewnia mleka: 350l

7. Użytki zielone: 62 % = 10736ha

8. Zboża: 10 % = 1760ha

9. Buraki: 5 % = 880ha

10. Ziemniaki: 15 % = 2640ha

11. Trzoda chlewna: 240szt.

12. Krowy: 160szt.

13. Konie: 15szt.

14. Drób: 5500szt.

Obliczenie przyrostu mieszkańców w perspektywie 20 lat.

( $\frac{\mathbf{p}}{\mathbf{100}}$) n =α

Mn – liczba mieszkańców w perspektywie określonej ilości lat

M – początkowa liczba mieszkańców

P - % rocznego przyrostu mieszkańców

n – liczba lat na podstawie, której projektujemy daną inwestycję

Przyjęto:

n = 20 lat

p = 0,5 %

Mn = M*α

α = 1,105

Mn = 1910*1,105 = 2111 mieszkańców

Ilość mieszkańców w perspektywie 20 lat: 2111

Tabela 1. Obliczenie sumarycznego zapotrzebowania na wodę.

Lp.	Wyszczególnienie	Ilość jednostkowa	Zapotrzebowanie jednostkowe [l/jednostkę/dobę]	Zapotrzebowanie [liczba/dobę]	Zapotrzebowanie [m³/dobę]
1	Mieszkańcy	2006	160	320960	32096
2	Szkoła	250	20	5000	5
3	Kino^1.	20	6	120	0,12
4	Zakład pracy – biura^2.	15	20	300	0,3
5	Mleczarnia^3.	350	0,5	175	0,175
6	Krowy^4.	160	60	9600	9,6
7	Konie^5.	15	60	900	0,9
8	Drób^6.	10500	1,0	10500	10,5
9	Świnie^7.	5500	30	165000	165
Suma		512,555 m^3/dob ≈ 0,006 m^3/sek

Średnia suma zapotrzebowania: $\frac{512,555\ }{86400}$ m³/dobę ≈ 0,006 m³/sek

1. Kino: zapotrzebowanie jednostkowe wynosi: 5-6. Przyjęta wartość: 6.

2. Zakład pracy – biura: zapotrzebowanie jednostkowe wynosi: 20-30. Przyjęta wartość: 20.

3. Mleczarnia: zapotrzebowanie jednostkowe wynosi: 0,3-0,5. Przyjęta wartość: 0,5.

4. Krowy: opasowe (z instalacją wodociągową).

5. Konie: hodowlane (z instalacją wodociągową).

6. Drób: indyki (bez instalacji wodociągowej).

7. Świnie: sztuki wyrośnięte (z instalacją wodociągową).

Tabela 2. Sumy miesięczne i roczne opadów w mm za wielolecie 1951 – 1970.

Rok	Suma roczna opadów [mm]
1951	427
1952	609
1953	325
1954	477
1955	533
1956	624
1957	491
1958	502
1959	364
1960	531
1961	358
1962	591
1963	390
1964	466
1965	499
1966	632
1967	456
1968	488
1969	423
1970	754
Średnia	$\frac{9940}{20}$ = 497mm

Miesiąc	Średnia opadów [mm]
IV	$\frac{666}{20}$ = 33,3
V	$\frac{1147}{20}$ = 57,35
VI	$\frac{1247}{20\ }$ = 62,35
VII	$\frac{1360}{20}$ = 68
VIII	$\frac{1224}{20}$ = 61,2

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

Rok	Miesiące	Suma roczna opadów [mm]
	IV	V
1951	41	111
1953	5	48
1954	47	52
1957	5	44
1959	37	21
1961	27	72
1963	36	38
1964	22	42
1967	66	63
1968	37	67
1969	31	62
Średnia suma dla lat suchych i posusznych	$\frac{354}{11}$ ≈ 32,2mm	$\frac{620}{11}$ ≈ 56,4mm

Tabela 4. Średnie miesięczne i roczne temperatury powietrza dla wielolecia 1951 – 1970.

Rok	Suma roczna temperatury [°C]
1951	89
1952	83,4
1953	91,8
1954	86,9
1955	83
1956	64,2
1957	93,1
1958	87
1959	94,4
1960	88,6
1961	96,2
1962	85,6
1963	78,2
1964	81,3
1965	71,63
1966	89,5
1967	94,8
1968	85,1
1969	70,2
1970	76
Średnia	$\frac{1689,93}{20}$ ≈ 84,5°C

Miesiąc	Średnia temperatury powietrza [°C]
IV	$\frac{138,1}{20}$ ≈ 6,9°C
V	$\frac{251,9}{20}$ ≈ 12,6°C
VI	$\frac{337,7}{20}$ ≈ 16,9°C
VII	$\frac{423,1}{20}$ ≈ 21,2°C
VIII	$\frac{342,1}{20}$ ≈17,1°C

Rok	Miesiące	Suma
	IV	V
1952	10,1	11,5
1955	3,6	10,7
1956	5,3	12,5
1963	7,5	16,1
1965	5,8	9,9
1969	6,1	14,2
1970	6,5	12
Średnia	$\frac{44,9}{7}$ ≈ 6,4	$\frac{86,9}{7}$ ≈ 12,4

Tabela 5. Tabela miesięcznych sum niedosytów wilgotności powietrza w hPa, dane meteorologiczne.

Lata 1881 – 1930	IV	V	VI	VII	VIII
	93,1	133	186,2	159,6	133

Obliczenie zapotrzebowania na wodę dla produkcji roślinnej metodami:

Hohendorfa, Ostronęckiego i Szarowa.

Potrzeby wodne użytków zielonych

1. Metoda optymalnych opadów zwana 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.

Miesiące 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

I pokos
E_1P = P_IV + P_V + 0,5P_VI

E_1P = 65 + 120 + 0.5 ∙ 115 = 242,5 mm/okres wegetacyjny

II pokos

E_2P = 0,5P_VI + P_VII + P_VIII

E_2P = 0,5 ∙ 115 + 100 + 80 = 237,5mm/okres wegetacyjny

1. Metoda higrometrycznego współczynnika parowania terenowego

zwana metodą Ostromęckiego.

$\mathbf{E}\mathbf{= \ }\mathbf{\beta}\mathbf{\ }\mathbf{\bullet}\mathbf{\ }\sum_{}^{}\mathbf{d}$

$\mathbf{E}_{\mathbf{1}\mathbf{P}}\mathbf{= \ }\mathbf{\beta}_{\mathbf{1}\mathbf{P}}\mathbf{\bullet}\mathbf{\ }\sum_{}^{}\mathbf{d}_{\mathbf{1}\mathbf{P}}$

E_2P= β_2P• $\sum_{}^{}\mathbf{d}_{\mathbf{2}\mathbf{P}}$

∑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.

$\sum_{}^{}{\mathbf{d}_{\mathbf{1}}\mathbf{= \ }\mathbf{d}_{\mathbf{\text{IV}}}\mathbf{+ \ }\mathbf{d}_{\mathbf{V}}\mathbf{+ \ }{\mathbf{0,5}\mathbf{d}}_{\mathbf{\text{VI}}}}$ $\sum_{}^{}{\mathbf{d}_{\mathbf{2}}\mathbf{= \ }{\mathbf{0,5}\mathbf{d}}_{\mathbf{\text{VI}}}\mathbf{+ \ }\mathbf{d}_{\mathbf{\text{VII}}}\mathbf{+ \ }\mathbf{d}_{\mathbf{\text{VIII}}}}$
$\sum_{}^{}{d_{1} = \ 319,2}$ $\sum_{}^{}{d_{2} = 385,7}$
      ∑_1P = 0, 62  • 319, 2 = 197, 9mm/rok ∑_2P = 0, 53  • 385, 7 = 204, 4 mm/rok

1. Metoda termicznego współczynnika parowania zwana 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].

$\mathbf{E}\mathbf{= \ \ }\mathbf{\alpha}\mathbf{\ }\mathbf{\bullet}\mathbf{\ }\sum_{}^{}\mathbf{t}$

α – współczynnik, mieści się w granicach 0,14 – 0,30 mm/dobę/1

$$\alpha = \ \beta\ \bullet \ \frac{\sum_{}^{}d}{\sum_{}^{}t}$$

$$\alpha_{1P} = \ \beta_{1P}\ \bullet \ \frac{\sum_{}^{}d_{1P}}{\sum_{}^{}t_{1P}}$$

$$\alpha_{2P} = \ \beta_{2P}\ \bullet \ \frac{\sum_{}^{}d_{2P}}{\sum_{}^{}t_{2P}}$$

$$\alpha_{1P} = 0,62\ \bullet \ \frac{197,9}{27,95}\ \approx 4,39$$

$$\alpha_{2P} = 0,53\ \bullet \ \frac{204,4}{46,75}\ \approx 2,32$$

$$E_{1P} = \ \alpha_{1P} \bullet \ \sum_{}^{}t_{1P}$$

$$E_{2P} = \ \alpha_{2P} \bullet \ \sum_{}^{}t_{2P}$$

E_1P = 4, 39 • 27, 95 = 122, 7 mm

E_2P = 2, 32  • 46, 75 = 108, 46 mm

∑_1p = α_1p ^. ∑t_1p

∑t_1p = 6,9 + 12,6 + 0,5 ^. 16,9 = 27,95

α_1p = (0,62 ^.197,9) : (6,9 + 12,6 + 0,5 ^. 16,9) = 4,39

∑_1p = 4,39 ^. 27,95 = 122,7 [mm/okres wegetacyjny]

∑_2p = α_2p ^. ∑t_2p

∑t_2p = 0,5 ^. 16,9 + 21,2 + 17,1 = 46,75

α_2p = (0,53 ^. 204,4) : (0,5 ^. 16,9 + 21,2 + 17,1) = 2,32

∑_2p = 2,32 ^. 46,75 = 108,46 [mm/okres wegetacyjny]

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

Metoda Pokos	wg Hohendorfa	wg Ostromęckiego	wg Szarowa	Wartość średnia
I	242,5	197,9	122,7	188
II	237,5	204,4	108,46	183

Obliczenie niedoborów wodnych 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

P_1P= P_IV+ P_V+ 0,5P_VI

N_1P = 197, 9 − 121, 83 = 76, 07mm

N_2P = 204, 4 − 160, 38 = 44, 02mm

N_P10% = 1, 18  • 197, 9 − 0, 72  • 76, 07 = 178, 75mm
N_P10% = 1, 19  • 204, 4 − 0, 62  • 160, 38 = 143, 8mm

I pokos:

E_1p = 197,7mm

P_1p = P_IV + P_V + 0,5*P_VI

P_1p = 33,3 + 57,35 + 0,5*62,35 = 121,83mm

N_1p = 197,9 – 121,83 = 76,07mm

II pokos:

E_2p = 204,4 mm
P_2p = 0,5*P_VI + P_VII + P_VIII P_2p = 0,5*62,35 + 68 + 61,2 = 160,38mm N_2p = 204,4 – 160,38= 44,02 mm

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

E_1p = 197,7 mm

E_2p = 204,4mm

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

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

P_1p = 33,3 + 57,35 + 0,5 ^. 62,35 = 121,83mm

P_2p = 0,5 ^. 62,35 + 68 +61,2 = 160,38 mm

N_1p = 197,7 – 121,83 = 76,07mm

N_2p = 204,4 – 160,38 = 44,02 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 normalnych

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 * 121,83 – 0,72 * 497 = -214,08 mm

Przyjęto wartości współczynników w 2 pokosie:

A_10% = 1,19

B_10% = 0,62

N_p10% = 1,19 * 160,38 – 0,62 * 497 = -171,29 mm

Obliczenie miarodajnych niedoborów opadów dla owsa, ziemniaków wczesnych oraz buraków pastewnych.

Miesiąc	IV	V	VI	VII
Owies	50	65	75	60
Ziemniaki wczesne	-	60	80	60
Buraki pastewne	50	70	90	85

Tabela 9. Optymalne opady w [mm] dla poszczególnych upraw

Miesiąc	IV	V	VI	VII
Owies	Pot = 50 – 33,3 = 16,7mm	Pot = 65 – 57,35 = 7,65mm	Pot = 75 – 62,35 = 12,65mm	Pot = 60 – 61,2 = -1,2mm (brak niedoboru)
Ziemniaki wczesne	Brak	Pot = 60 – 57,35 = 2,65mm	Pot = 80 – 62,35 = 17,65mm	Pot = 60 – 61,2 = -1,2 mm (brak niedoboru)
Buraki pastewne	Pot = 50 – 33,3 = 16,7mm	Pot = 70 – 57,35 = 12,65mm	Pot = 90 – 62,35 = 27,65mm	Pot = 85 – 61,2 = 19,8mm

Niedoborem opadów jest różnica pomiędzy opadem optymalnym (P_optimum) [mm] a opadem rzeczywistym (P_rz) [mm] (opad średni normalny z wielolecia).

N = P_OPT – P_rz [mm]

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

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

Tabela 10. Sumaryczne zestawienie niedoborów wodnych w [mm] dla lat normalnych.

Lp.	Rodzaj użytku	Miesiące
		IV
1	Użytki zielone I pokos	63 mm
2	Użytki zielone II pokos	-
3	Owies	16,7 mm
4	Buraki pastewne	16,7 mm
5	Ziemniaki wczesne	-

Tabela 11. Zbiorcze zapotrzebowaniem na wodę dla użytków zielonych, owsa, buraków pastewnych i ziemniaków wczesnych.

Lp.	Nazwa użytku i powierzchnia	Miesiące
		IV
1	Użytki zielone I pokos (pow. 10736ha)	6763680m^3
2	Użytki zielone II pokos (pow. 10736ha)	-
3	Owies (pow. 1760 ha)	299200m^3
4	Buraki pastewne (pow. 880 ha)	149600m^3
5	Ziemniaki wczesne (pow. 2640)	-
6	∑m^3/miesiące	7212480m^3
7	∑m^3/dobę	240416m^3
8	∑m^3/sekundę	2,8m^3

UŻYTKI ZIELONE

Pokos I

10736 ha = 107360000m²

63mm = 0,063m

107360000*0,063 = 6763680m³

Pokos II

10736 ha = 107360000m²

61 mm = 0,061m

107360000*0,061 = 6548960m³

OWIES

Miesiąc IV

1760 ha = 17600000m²

17 mm = 0,017m

17600000*0,017= 299200m³

Miesiąc V

1760 ha = 17600000m²

8 mm = 0,008m

17600000*0,008 = 140800m³

Miesiąc VI

1760 ha = 17600000m²

13 mm = 0,013m

17600000*0,013 = 228800m³

BURAK PASTEWNE

Miesiąc IV

880 ha = 8800000m²

17 mm = 0,017m

8800000*0,017 = 149600m³

Miesiąc V

880 ha = 8800000m²

13 mm = 0,013 m

8800000*0,013 = 114400 m³

Miesiąc VI

880 ha = 8800000m²

28 mm = 0,028m

8800000*0,028 = 246400 m³

ZIEMNIAKI

Miesiąc V

2640 ha = 26400000m²

3 mm = 0,003m

26400000*0,003 = 739,2m³

Miesiąc VI

2640 ha = 26400000m²

18 mm = 0,018m

26400000*0,018 = 475200m³

Przepływ nienaruszalny

Przepływ nienaruszalny to część przepływu pozostawienia w danym przekroju poprzecznym cieku ze względu biologicznych (nie bierze udziałów w pokrywaniu zapotrzebowania na wodę i w bilansie wodnym).

Q_b = α ∙ SNQ [m³/s]

α – współczynnik redukcyjny (każdorazowo uwzględniony)

SNQ – średni niski przepływ z wielolecia

W praktyce wielkość przepływu nienaruszalnego przyjmuje w granicach od 0,3 do 1,0

Obliczenie przepływu miarodajnego

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*Cs *P*A [m³/s]

Cs – regionalny współczynnik odpływu dla rzek Polskich (przyjmując 0,1-0,7)

Cs = 0,55

P – suma roczna opadów z lat normalnych (średnia) wyrażona w km²

A – powierzchnia zlewni wyrażona w km²

Q_śr = 0,03171*0,55*319*176 = 9,792 m³/s

Przepływ dyspozycyjny określa się jako różnice między ilością wód dopływających do danego przekroju poprzecznego w cieku a ilością wód jaka musi pozostać w rzece poniżej przekroju (przepływ nienaruszalny)

Q_dysp = Q_dop - Q_{nienaruszalne} [m³/s]

Q_nienar =15%*Q_śr [m³/s]

Q_nienar = 0,15*9,792 = 1,469m³/s

Q_dysp = Q_śr - Q_nienar

Q_dysp = 9,792 – 1,469 = 8,323 m³/s

Tabela 12. Zbiorcze zapotrzebowanie na wodę w m³/sekundę.

	Użytkownik	Miesiące
		I
1	Gospodarka komunalna i przemysł	0,049
2	Użytki rolne	-
3	Suma	0,049