Hydrologia- wykłady semestr 3

1.Hydrologia- nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem i opisem hydrosfery (wody atmosferyczne, powierzchniowe, podziemne). Głównym przedmiotem badań jest krążenie wody w przyrodzie, z uwzględnieniem jej właściwości fizycznych, chemicznych, biologicznych.

2.Podział ze względu na tematykę:

-hydrochemia- dział chemii zajmujący się badaniem związków chemicznych rozpuszczonych w wodzie, w szczególności badaniem stanu trofii wód oraz chemicznych zanieczyszczeń wód.

-hydrobiologia- nauka o życiu organizmów w środowisku wodnym, zajmuje się głównie organizmami pozwalającymi badać się makroskopowo

-hydrofizyka- nauka zajmująca się badaniem właściwości fizycznych wód występujących w przyrodzie, oraz procesów fizycznych zachodzących w każdym stanie skupienia wody w hydrosferze.

-hydrologia krążenia

3.Podział ze względu na środowisko:

-hydrometeorologia

-potamologia (wody płynące)

-limnologia

-oceanologia

-agrohydrologia

-glacjologia

-geohydrologia

4.Stan wody:

Parametr hydrologiczny w badaniach hydrometrii. Może nam mówić:

-jak zmienia się zwierciadło w czasie

-różnica między zwierciadłem a poziomem

Zasoby wodne:

Wody oceanu światowego- 96,50%

Wody podziemne 1,70%

Lodowce- 1,80%

5.Obieg wody:

Cykl wymienny wody z jej globalnym obiegu wynosi 3600 lat Bilans wody ziemskiej:

P=E

Gdzie:

P- całkowity opad atmosferyczny na obszarach lądów i oceanów [mm, km³]

E- całkowite parowanie z powierzchni lądów i oceanów [mm, km³]

P= 577 000 km³ 0,04% zasobów wodnych hydrosfery

E= 577 000 km³

Magazynowanie wody/ retencjonowanie- woda może być retencjonowana w różnych zbiornikach i odprowadzana w razie potrzeby.

6.Przyczyny ruchu wody:

-energia cieplna pochodząca od słońca

-siła ciężkości

-przyciąganie księżyca i słońca

-ciśnienie atmosferyczne

-siły międzycząsteczkowe

-działalność człowieka

-związki chemiczne i fizjologiczne organizmów żywych

7.Mały obieg- wymiana między atmosferą a oceanami

W cyklu hydrologicznym wyróżnia się obieg duży i mały. Pierwszy to parowanie wody z powierzchni oceanów, przemieszczanie się pary wodnej wraz z masami powietrza nad kontynenty, gdzie ulega kondensacji i w postaci opadów atmosferycznych opada na ich powierzchnię. Z kontynentów woda częściowo paruje, a częściowo odpływa ciekami do oceanów. Mały obieg obejmuje parowanie i opad w obrębie oceanów i parowanie, opad, wsiąkanie i odpływ w obrębie kontynentów. Jest on częścią obiegu dużego.

W obiegu dużym cząstki wody krążą poprzez oceany i kontynenty, przechodząc kolejno przez wszystkie ogniwa cyklu lub przynajmniej przez ich większość. Mały obieg odbywa się miedzy dwoma sąsiednimi ogniwami, na przykład: ocean - atmosfera - ocean albo atmosfera - powierzchnia lądu - atmosfera.

8.Duży obieg:

Obieg wody w przyrodzie:

∆R= P_k-E_k-H_k

P_k-E_k-H_k=∆R_k­

P_k>E_k 20%

P_k= 119 000 km³

E_k=72 000 km³

H_k=47 000 km3

∆R=P₀- E₀ + H_k

P₀-E₀+H₀=∆R₀

P₀<E₀ 80%

P₀= 458 000 km³

E₀=505 000 km³

9.Obieg wody:

P- opad atmosferyczny

P= P_s+ P_g+ P_d+…..

E- parowanie

E=E_t+E_in+E_w+E_g +…

H- odpływ

H=H_p+ H_pod+…

R- retencja

R=R_in+R_pow+R­_g+R_w+….

11.Główne reguły dotyczące krążenia wody:

-głównym czynnikiem jest energia słoneczna, krążenie wody wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, regule tej nie podlegają zwrotnikowe obszary pustynne

-intensywność krążenia wody w oceanach zależy od parowania, a intensywność krążenia na kontynentach zależy od opadów

-parowanie z powierzchni wodnych jest do trzech razy intensywniejsze od parowania z obszarów lądowych

-ilość opadów maleje wraz ze zwiększaniem się odległości od zbiorników wodnych

-Najmniej zależne od zmian środowiska jest parowanie, bardziej opady, a najbardziej zmienny jest odpływ

Zlewnia- obszar, z którego wody spływają do jednego, wspólnego zbiornika , do danego miejsca w odbiorniku.

Dorzecze- gdy zlewnia obejmuje cały system rzeki głównej i jej boczne dopływy.

Dorzecze Wisła, Odra, rzeki przymorza-> Słupia

Zlewisko: Morze Bałtyckie

Zlewisko- zespół dorzecz odprowadzających wody do jego morza.

Zlewnia wód powierzchniowych- obszar, z którego spływy zasilają dany ciek wodny

Zlewnia wód powierzchniowych jest obszarem, z którego wody podziemne zasilają dany ciek (?)

Charakterystyka opadów atmosferycznych

Opady atmosferyczne:

-Opady poziome:

• rosa (powstaje w wyniku zetknięcia wilgotnego powietrza z zimnym podłożem -> para wodna zawarta w powietrzu ulega kondensacji, warunkiem koniecznym są bezwietrzne wieczory i ranki w ciepłym powietrzu [temp >0^o)

• szron postać lodowatych krysztłków

• sadź srebrno biały krystaliczny osad

• gołoledź gładki, przeźroczysty lub mtowy osad lodu

-Opady pionowe:

• śnieg skrystalizowane krople wody

• deszcz

• mżawka

• grad

• krupa

opis parametrów ilościowych

• Wysokość opadów P [mm]

• Natężenie deszczu I [mm/min] lub q[l/ s* ha]

• Prawdopodobieństwo p [%] lub częstotliwość występowania c [lata]

Czas trwania deszczu miarodajnego tdm Czas opadów A[km², ha] lub F [km², ha]

Wysokość opadów- ilość wody (objętość) rozłożona równomiernie na poziomym terenie

Czynniki wpływające na wysokość opadów:

-stałe (szerokość geograficzna, wysokość nad poziomem morza, odległość od zbiorników wodnych)

-zmienne (nasłonecznienie, wiatr, zanieczyszczenie)

• Obszary o największej rocznej sumie opadów to Himalaje i Kamerun w Afryce

• Obszary o najmniejszej rocznej sumie opadów to pustynia Namib P=10- 100 mm

Punkt inwersji opadowej- po tym punkcie opady maleją

P= a +b * h + c * h²

• Dla Karkonoszy:

H= 1128 m n.p.m.

P= 1333 mm

• Dla Tatr

H= 1695 m n.p.m.

P= 1621 mm

Rozmieszczenie opadów na terenie polski:

-pas niziny nadbałtyckiej 500-600 mm

-pas pojezierzy bałtyckich:

a)Pojezierze Pomorskie 500-750 mm

b)Pojezierze Mazurskie 600-700mm

-pas nizin środkowych

a)Nizina Kujawsko-Wielkopolska 450-590mm

b)Nizina Mazursko-Podlaska 500-600mm

-pas wyżyn południowych

a)Sudety 700-1200mm

Kotlina Śląska 550-700mm

a)Wyżyna Śląska 650-800mm

b)Wyżyna Małopolska 550-700mm

c)Wyżyna Lubelska 550-800mm

-Kotlina Sandomierska 600-800mm

-pas karpacki

a)Łańcuch Beskidzki 700-1300mm

b)Tarty 800-1500mm

Największe opady roczne w niektórych miejscach w Polsce:

-Dolina Pięciu Stawów, 2001r., P=2770mm

-Hala Gąsienicowa, 2001r., P=2828mm

-Kasprowy Wierch, 1982r., P=2599 mm

Najniższe opady roczne w niektórych miejscach w Polsce:

Poznań, 1982r., P=275mm

-Zamość, 1982r., P=301mm

-Koło, 1989r., P=307mm

Czym mierzymy wysokość opadów:

• Metody objętościowe

-deszczomierz Hellmana

Błąd pomiaru

P_M=∑P₀

P_r=∑P_M

P_M- opady miesięczne

P_r- opady roczne

-Deszczomierz samopiszący (ombrograf, pluwiograf)

Metody wagowe

-pluwiograf wagowy- zasada działania zbliżona do zasady działania deszczomierzu Hellmana, z tym, że zbiornik, w którym gromadzi się woda znajduje się na wadze. Waga sprzęgnięta jest z rejestratorem, który rejestruje przyrost wagi (objętości) opadu w czasie, a później przeliczany jest na wysokość opadu.

Źródła błędów deszczomierzy:

-czynniki instrumentalne

-czynniki pogodotwórcze

• Błąd systematyczny wywołany wiatrem

• Błąd systematyczny wywołany zwilżeniem

• Błąd systematyczny wywołany parowaniem

• Błąd systematyczny wywołany bryzgami (odbiciem kropel deszczu od podłoża)

• Błędy ekspozycyjne deszczomierzy

• Pomiary radarowe- najbliższy radar w Czerwionce-Leszczynach. Ekstremalne warunki, suszy lub powodzi.

Natężenie deszczu l[mm/ min] lub q [l/s*ha]

Według Lambora dla Polski, 1971r.

Według Błaszczyka, 1964r.

Dla P=600mm

Deszcze krótkotrwałe (do 180 minut)

Klasyfikacja deszczy krótkotrwałych według Chomicza, 1951r.

U= L* t

Wydajność opadu U= α * (t)^0,5 mm

Gdzie:

t- czas trwania

α- współczynnik wydajności spadku α= (2^k)^0,5

czyli:

u= (2^k)^0,5 *(t)^0,5

u= l *t -> k

k- kolejna liczba w skali Chomicza

k= 0 - deszcze zwykłe

k=1 - deszcze silne

k=2-5 - deszcze ulewne (chmur kłębiastych deszczowych)

k=2 - 1 stopień(A1)

k=3 - 2 stopień(A2)

k=4 - 3 stopień(A3)

k=5 - 4 stopień(A4)

k=6-12 - deszcze nawalne

k=6 - 1 stopień (B1)

k=7- 2 stopień (B2)

Opad efektywny, P_e- jaka objętość opadu atmosferycznego przekształciła się w spływ powierzchniowy.

Opad ten zależy od:

- rodzaju gleby pokrywającej obszar zlewni

-sposób użytkowania terenu zlewni

-charakter pokrywy roślinnej, ……………………..

-stan początkowego nawilżenia zlewni

Stany i przepływy charakterystyczne:

1. P+ R_p

2. Posterunki wodowskazowe (w 1994 było ich w Polsce 837)

-na rzekach głównych (bieg górny, środkowy, dolny)

-na dopływie- powyżej zasięgu cofki

-tam gdzie istnieją lub powstają obiekty budownictwa wodnego

Systemy osłony przeciwpowodziowej:

systemy monitoringu i osłony kraju- SMOK

Deszcze górnej Wisły „Vistel”…..

-to co na rzece

-opady

Informacje o suszy hydrologicznej:

-jak obniża się poziom zwierciadła wód powierzchniowych

Bilans wodno-gospodarczy zlewni pozwala na prowadzenie właściwej gospodarki wodnej na terenie zlewni, w tym:

-regulacja przepływu w obiektach budownictwa wodnego: zapory, jazy, zbiorniki wodne, elektrownie wodne

-dane do projektowania

• obiektach budownictwa wodnego

• ujęcia wód powierzchniowych

• wielkość zrzutu ścieków oczyszczonych

Dokumentacja posterunku wodnowskazowego. Obserwacje zwyczajne

1. terminowe:

-wykonywane raz na dobę o 7h

Q_i

-wykonywane trzy razy na dobę 7h, 13h, 19h lub 6h, 12h, 18h

2. ciągła

Obserwacje nadzwyczajne w okresie silnych wezbrań

-na rzekach płaskich gdzie…..

Formy zlodowacenia:

Lepa- gęsta masa śniegu, który powstaje z opadu atmosferycznego na powierzchni wody

-śnyź- kryształki swobodnie płynącego lodu, tworzące się w masie płynącej wody rzecznej

Częściowe zlodowacenie - pokrywa lodu tworząca się przy brzegu rzeki

Pokrywa lodowa- powierzchnia lodowa pokrywa rzekę na całej szerokości

ruszenie lodu(?)- spękanie w pokrywie lodowej i początek spływu wody

Kra- spływająca rzeką popękana pokrywa lodowa

Zator- tworzy się w przewężeniach koryta, na mieliznach

Pomiar Stany wody:

-Łaty wodowskazowe

-wodowskaz pływakowy

-Limingraf- do pomiaru i ciągłej rejestracji poziomu stanów wody

Urządzenie pomiarowe: pływakowe, ciśnieniowe, elektroniczne

Urządzenie rejestrujące: analogowe, cyfrowe

Centralna baza pomiarów hydrologicznych:

-pomiary

-ruch rumowiska

-przepływy

Rok hydrologiczny

-zaczyna się od listopada

-2 okresy:

I) Listopad-czerwiec

II) Lipiec- październik

Stany wody charakterystyczne dla I rzędu krótkiego okresu czasu (miesiąc, półrocze, rok)

-NW- niska woda- najmniejsza pomierzona wartość stanów wody

-SW- średnia woda- średnia arytmetyczna wartości pomiarowych

-WW- wysoka woda- największa pomierzona wartość stanów wody

Hydrologram stanów wody (stany wody w cm do dni )

Konkretna data- zdarzenie elementarne (przepływ z jednego dnia)

Rok hydrologiczny stan wody charakterystyczny I rzędu:

-NW

-SW

-WW

Populacja generalna stan wody charakterystyczny II rzędu:

-NNW, NSW, NWW

-SNW, SSW, SWW

-WNW, WSW, WWW

Zjawisko powodzi SW, WW musi być większe niż SWW. Większe niż z wielolecia

Susza hydrologiczna (niski stan wody) NW, SW mniejsza niż SSW od wartości z wielolecia

Ujęcie wody, jozy- rok przyjęty NW, SW, WW zbliżony do wartości z wielolecia SNW, SSW, SWW (?)

Przepływy hydrologiczne I rzędu:

-NQ

-SQ

-WQ

Statystyka opisowa- określenie matematyczne do badań różnych zjawisk.

Serie obserwacyjne utworzone z jednorodnych i wzajemnie niezależnych cech liczbowych zdarzeń.

Seria statystyczna- tablica rozdzielcza formowana z długich serii obserwacji (nie mniej niż 100 wyrazów)- cały obszar badanej zmiennej dzieli się na klasy (ustala się granice klas) dzieli się na….

Seria obserwacyjna:

2,3,5,2,3,2,2,3,4,7,2 n=17

Ciągi rozdzielcze:

2,2,2,2,2,3,3,3,4,5,7 n=11

Tablica rozdzielcza:

-365 wartości

-określamy ściany wody I rzędu

-cały zakres stanów

NW- 112cm

SW- 189cm podział na klasy/ przedziały o tej samej wielkości

WW-449cm

-pierwszy od wielokrotności

-dzielimy na miesiące, określamy jak często występują dane stany wody

-obliczamy częstotliwość
-> 365

Co wydarzy się w przyszłości/ za pomocą dopasowania funkcji gęstości

Co było- etogram- częstość/ częstotliwość

Statystyka opisowa:

1)Miara położenia:

-średnia arytmetyczna

-średnia geometryczna

-średnia harmoniczna

-mediana

-moda

2)Miara zmienności:

-rozstęp

-rozstęp kwadratowy

-odchylenie standardowe/ odchylenie decylowe

-współczynnik zmienności

-kurioza

3)Miara asymetrii:

-skośność

-miara asymetrii

-współczynnik asymetrii

Różnica między wartością pomierzoną X_i, a średnią H_i-SW Q_i-SQ

Natężenie przepływu:

-Metody bezpośrednie pomiarów przepływu

V-objętość

t-czas

-Metody pośrednie pomiarów przepływu

-Metody objętościowe

Małych cieków, wydajność źródeł lub wypływu z przewodów drenarskich

-Metoda hydrauliczna

Metody oparte na schemacie wypływu przez otwór w ścianie zbiornika

N- współczynnik wydatku otworu

b- szerokość otworu

-Metoda rozcieńczeń wskaźnika

Wskaźnik np. wodne sole mineralne, elektrolity, barwniki, substancje fluoroscencyjne nie powodują skażenia środowiska

Czyli

Substancje nie powodujące skażenia środowiska wodnego, nie powinny:

-ulegać rozkładowi pod wpływem składników zawartych w rzece, światła…

-być indykatorem odczynu środowiska

-zmieniać zabarwienie wraz ze wzrostem rozcieńczenia np. sole mineralne, barwniki, substancje fluoroscencyjne, woda o odmiennej temperaturze

Metody pośrednie

Młynek hydrologiczny- punktowy pomiar prędkości

Krzywa przepływu- krzywa konsumpcyjna

n- szorstkość

Q=F(H)

Kształt krzywej zależy od kształtu poprzecznego koryta rzeki

Niestacjonarność krzywej przepływu:

1)zmiany warunków pomiaru stanów wody

2)zmiany kształtu przekroju poprzecznego koryta i doliny rzecznej

-sezonowe zmiany warunków przepływu wody w rzece

-zmiany podłużnego spadku zwierciadła wody w rzece

Krzywa konsumpcyjna, metoda analityczna:

Równanie paraboli n-tego stopnia

Równanie wielomianu drugiego stopnia

Genetyczne typy wezbrań:

-opadowe nawalne- wywołane przez burze termiczne i deszcze nawalne, małe potoki górskie, strugi nizinne o powierzchni zlewni A< 50 km², dominują w lipcu i sierpniu

-opadowe fontowe- wywołane przez deszcze w strefie frontów atmosferycznych, większe obszary

-opadowe rozlewne- orografia ma wpływ

Wezbrania roztopowe- spowodowane tajaniem pokrywy śnieżnej

Wezbrania zimowe

Wezbrania sztormowe - sztormowe wiatry powodują wezbrania Bałtyku i związanych hydraulicznie z Bałtykiem zalewów

Wezbrania …..

Charakter przebiegu wezbrań- wezbrania najczęściej nie tworzą się jednocześnie na całej długości rzeki, lecz przemieszczają się wzdłuż jej obiegu

Rzeki i ich reżim:

Klasyfikacja reżimu rzeki na podstawie rodzaju zasilania (alimentacji).

Trzy typy zasilania: deszczowy, śnieżny, lodowy

-Reżim prosty- dwa okresy: jeden obfitego zasilania i ubogiego zasilania tj. jedna wyżówka i jedna niżówka, co wynika z poj. Zasilania rzeki

-Reżim ułożony- charakteryzuje się dwoma lub trzeba okresami zasilania. Tyle samo okresów niżówki

-Reżim zmienny- więcej niż dwa rodzaje zasilania. Zalicza się tu rzeki trans graniczne przepływające przez kilka stref

Wyżówka i niżówka- pojęcie umowne o znaczeniu społeczno- gospodarczym. Wymagają określenia:

-przepływu granicznego dla wyżówki

Q_{gr. w}

-przepływu granicznego dla niżówki

Q_{gr. n}

Wyżówka jest to czas dla którego:

Q_i ≥ Q_{gr. w}

Q_i ≤ W_{gr. n}

Wyżówkę i niżówkę określamy ilościowymi i jakościowymi parametrami. Ilościowe to:

-czas

-objętość

-wartość ekstremalna

Przepływy charakterystyczne

Materiały hydrometryczne

1. W rozpatrywanym profilu są kompletne tzn. serie obserwacyjne stanów wody obejmują okres wieloletni (30 lat), a pomiary przepływów zostały wykonane w całym zakresie zmienności stanów wody

2. Dane dotyczą stanów wody i przepływów w rozpatrywaniu….

Profilu są niekompletne tzn. serie obserwacyjne….

Stanów wody pochodzą z krótkiego okresu czasu, a pomiary nie obejmują całego zakresu zmienności stanów wody

3. W rozpatrywanym profilu całkowicie brak jest danych hydrometrycznych

Metody obliczania przepływu:

-metody statystyczne (bezpośrednie)- długi okres obserwacji utworów jednorodnych wzajemnie niezależnych cech liczbowych i zdarzeń

-metody analogii hydrologicznej (pośrednie)- wykorzystywanie form o przepływach w zlewniach kontrolowanych

Metody statystyczne

n- liczba porządkowa

N- liczebność ciągu

Seria statystyczna:

-Miara położenia Me(d₅)

-Miara zmienności

• Odchylenie decylowe

• Współczynnik zmienności

-Miara asymetrii

• Miara asymetrii

• Współczynnik asymetrii

Statystyka opisowa:

Przepływ maksymalny o danym prawdopodobieństwie według Dębskiego:

Statystyka opisowa:

- miara położenia Me(d₅)

-miara zmienności

-odchylenie decylowe (V)

Kołomogrow- test zgodności (?)

Test istotności K

D<D_max­, D_max= 136/(n)^0,5 dla α=5%

Nie ma podstawy do odrzucenia przyjętej hipotezy (?)

1. Na tej samej rzece

2. Na odbiorniku

3. Na rzece uchodzącej do tego samego odbiornika

4. Na rzece uchodzącej do innego odbiornika

Przy wyborze profilu analogicznego należy kierować się prawdopodobieństwem odpływu jednostkowego w obydwu profilach oraz zgodności rytmu zmienności przepływów (czynniki klimatyczne, czynniki fizyczno-geograficzne zlewni)

Czynniki fizyczno-geograficzne:

-położenie przestrzenne

-geometria zlewni

-morfometria, rzeźba powierzchni

-sieć hydrologiczna

-litologia podłoża

-pokrycie i użytkowanie zlewni

Położenie przestrzenne, współrzędne położenia

-Powierzchnia zlewni A[km²]

-Długość zlewni L [km]

-średnia szerokość zlewni B_z [km]

-obwód zlewni O_z[km]

Geometria- profil podłużny zlewni

-Wskaźnik formy- wynika z przyrówna kształtu zlewni do kwadratu

-Wskaźnik wydłużenia- iloraz koła o polu równym powierzchni zlewni do długości zlewni L

-wskaźnik lemniskaty- stosunek pola powierzchni zlewni do pola powierzchni kola o tym samym obwodzie co obwód zlewni

Morfometria i rzeźba powierzchni:

L= 2 km- Wisła

L=69,2 km- Kraków

L=735 km- Toruń

L=931 km- Gdańsk

Sieć hydrologiczna

- gęstość sieci wodnej

-Współrzędna alimentacji

-wskaźnik powierzchni jeziora

-wskaźnik zabagnienia

12

---