Uniwersytet Zielonogórski

Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Instytut Inżynierii Środowiska

PROJEKT Z HYDROLOGII

I HYDROGEOLOGII

Zlewnia rzeki. Bilans wodny zlewni.

Wykonał:

Wojciech Klimczak

Grupa 25B

USTALENIE BILANSU WODNEGO I CHARAKTERYSTYCZNYCH PARAMETRÓW ZLEWNI RZEKI KAMIENNA.

1. Dane.

- mapa sytuacyjno - wysokościowa zlewni rzeki w skali 1: 25000

o skoku warstwicowym 10 m,

- zestawienie opadów w punktach pomiarowych umieszczonych na obszarze zlewni rzeki.

- opis zlewni rzeki:

Zlewnia położona na terenie górskim, zalesiona w ok. 90 %. Charakteryzuje się brakiem jezior oraz występowaniem gruntów nieprzepuszczalnych.

2. Część I

- podział dorzecza na zlewnie cząstkowe

- wyznaczenie powierzchni cząstkowych i przyrzeczy

- obliczenie długości rzeki głównej i jej dopływów

- wykonać wykres przyrostu dorzecza

- wykonać wykres podłużny rzeki i jej dopływów

- obliczyć geometrię zlewni

- podać charakterystykę rzeźby terenu zlewni.

3. Część II

- obliczenia średniego opadu w zlewni rzeki Kamienna metodą izohiet

- obliczenie przepływów charakterystycznych rzeki metodą wzorów Iszkowskiego

• Średni roczny przepływ

• Przepływ minimalny

• Przepływ średni niski

• Przepływ średni normalny

- obliczenie przepływów wielkich wód o nieokreślonym prawdopodobieństwie występowania wg wzoru Iszkowskiego

- obliczenie przepływów wielkich wód o nieokreślonym prawdopodobieństwie występowania wg wzoru Lewego

- obliczanie odpływów

• Odpływ z całej powierzchni zlewni

• Odpływ jednostkowy (warstwa odpływu)

- zestawienie elementów bilansu wodnego

• Wielskość parowania

• Współrzędne odpływu

• Różnica retencji.

I. ZLEWNIA RZEKI.

1. Podział dorzecza na zlewnie cząstkowe.

Podział dorzecza rzeki Kamienna na zlewnie cząstkowe został przedstawiony na rysunku nr 1.

Legenda:

A, B, C, D - zlewnie cząstkowe liczone począwszy od źródeł,

a₁, a₂, b, c₁, c₂ - przyrzecza,

I, II, III, IV, V - punkty węzłowe,

przy czym:

I - źródło rzeki głównej,

II, III, IV, V - ujścia kolejnych dopływów.

2. Wyznaczenie powierzchni zlewni cząstkowych i przyrzeczy.

Część składowa dorzecza	Powierzchnia zlewni cząstkowych i przyrzeczy				Całość dorzecza rzeki głównej
Litera	prawa		lewa		prawa		lewa
		[cm^2]	[km^2]	[cm^2]	[km^2]	[cm^2]	[km^2]	[cm^2]	[km^2]
A	7,25	0,453	10,49	0,656	7,25	0,453	10,49	0,656
B	3,26	0,204	4,68	0,293	15,19	0,95	-	-
b	3,38	0,211	-	-	18,57	1,16	-	-
C	1,90	0.119	0,84	0,052	21,31	1,33	-	-
a1	-	-	6,06	0,379	-	-	16,55	1,03
a2	-	-	0,79	0,049	-	-	17,34	1,08
D	16,71	1,044	6,96	0,44	-	-	41,01	2,56
c1	3,50	0,219	-	-	24,81	1,55	-	-
c2	7,43	0,464	-	-	32,24	2,01	-	-
d	-	-	9,54	0,596	-	-	50,55	3,16

Suma powierzchni zlewni cząstkowych oraz przyrzeczy a zarazem powierzchnia całkowita dorzecza rzeki Kamienna wynosi 5,17 km².

3. Obliczenia długości rzeki głównej i jej dopływów.

Dopływ	Długość dopływu		Długość rzeki głównej do ujścia dopływu
Litera	[cm]	[km]	[cm]	[km]
B	3,2	0,8	4,5	1,125
C	1,8	0,450	9,2	2,3
D	5,8	1,45	9,9	2,475
Profil końcowy	-	-	14,0	3,5

4. Profil podłużny rzeki i jej dopływów.

Profil podłużny rzeki Kamienna i jej dopływów został przedstawiony na rysunku nr 2.

5. Wykres przyrostu dorzecza.

Wykres przyrostu dorzecza rzeki Kamienna został przedstawiony na rysunku nr 3.

Legenda:

A, B, C, D - zlewnie cząstkowe liczone począwszy od źródeł,

a₁, a₂, b, c₁, c₂ - przyrzecza,

I, II, III, IV, V - punkty węzłowe,

przy czym:

I - źródło rzeki głównej,

II, III, IV, V - ujścia kolejnych dopływów.

6. Geometria zlewni.

- powierzchnia zlewni.

A = 82,79 cm² = 5,17 km²,

- obwód zlewni.

S = 43,2 cm = 10,8 km

- długość zlewni ( liczona od ujścia cieku głównego do granicy działu wodnego znajdującego się w przedłużeniu odcinka źródłowego).

L = 17,2 cm = 4,3 km,

- szerokość zlewni.

km

- wskaźnik formy ( kształt zlewni przyrównany do kwadratu o powierzchni równej powierzchni zlewni A).

- wskaźnik kolistości ( stosunek powierzchni zlewni A do powierzchni koła A_k o tym samym obwodzie, co długość działu wodnego P).

- wskaźnik wydłużenia ( stosunek średnicy koła o tej samej powierzchni, co zlewnia A do długości zlewni L).

- wskaźnik symetryczności zlewni

Rozpatrywana zlewnia nie jest symetryczna,

7. Określenie charakterystyki rzeźby terenu zlewni.

- wysokość maksymalna.

H_max = 1217 m n.p.m.

- wysokość minimalna.

H_min = 856 m n.p.m.

- wielkość deniwelacji.

ΔH = H_max - H_min = 361 m

- średnia wysokość zlewni.

H = 0,5 · ( H_max + H_min) = 0,5 · 2073 = 1036,5 m

- spadek zlewni.

‰

- spadek działu wodnego.

‰

- spadek doliny rzecznej.

‰

ΔH - wielkość deniwelacji

l - długość rzeki

II. ELEMENTY BILANSU WODNEGO ZLEWNI.

1. Obliczenia średniego opadu w zlewni metodą izohiet.

Rozkład normalnych opadów rocznych oraz rozmieszczenie stacji opadowych na obszarze zlewni rzeki Kamienna został przedstawiony na rysunku nr 4.

Numer pola	Powierzchnia zlewni Ai			Wysokość opadu w polu Pi ( średnia arytmetyczna z izohiet ograniczających pole) [mm]	Objetość opadu w polu Vi = Pi ·Ai [m^3]
		[cm^2]	[m^2]			[km^2]
A1	5,14	321250	0,321	855	274668,75
A2	17,46	1091250	1,091	845	922106,25
A3	27,07	1691875	1,692	835	1412715,625
A4	22,39	1399375	1,399	825	1154484,375
A5	10,73	670625	0,671	815	546559,375
Suma	82,79	5174375	5,174	-	4310534,375

Średnia wysokość opadu na obszarze zlewni wynosi:

0,833 m = 833 mm

P_i - wysokość opadu [m],

A_i - powierzchnia pola zawartego między izohietami [m²],

ΣA_i - suma powierzchni wszystkich pól [m²].

2. Obliczenia średniego opadu w zlewni metodą wielokątów równego zadeszczenia.

Podział zlewni na wielokąty równego zadeszczenia oraz rozmieszczenie stacji opadowych na obszarze zlewni rzeki Kamienna został przedstawiony na rysunku nr 5.

Numer pola	Powierzchnia zlewni Ai			Wysokość opadu w polu Pi (wysokość opadu na stacji) [mm]	Objetość opadu w polu Vi = Pi ·Ai [m^3]
		[cm^2]	[m^2]			[km^2]
A1	13,11	819375	0,819	853	698926,875
A2	9,17	573125	0,573	842	482571,25
A3	32,36	2022500	2,022	836	1690810
A4	17,62	1101250	1,101	825	908531,25
A5	10,53	658125	0,658	813	535055,625
Suma	82,79	5174375	5,174	-	4315895

Średnia wysokość opadu na obszarze zlewni wynosi:

0,834 m = 834 mm

P_i - wysokość opadu [m],

A_i - powierzchnia pola zawartego między izohietami [m²],

ΣA_i - suma powierzchni wszystkich pól [m²].

3. Obliczenia przepływów charakterystycznych rzeki metodą wzorów Iszkowskiego.

1. Średni roczny przepływ.

C_s - współczynnik średniego rocznego odpływu = 0,55 ( dla gór jak Wogezy, Beskidy)

P_śr - średni roczny opad = 833,5 mm ( średnia arytmetyczna z obliczeń metodą izohiet i metodą wieloboków równego zadeszczenia) [m]

A - powierzchnia zlewni [km²]

- średni roczny spływ jednostkowy..

Q_śr - średni roczny przepływ [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

2. Przepływ minimalny ( najniższy).

Q_min = 0,2 · ν · Q_śr = 0,2 · 0,225 · 0,0752 = 0,00338

Q_śr - średni roczny przepływ [m³/s],

ν - współczynnik zależny od fizjografii, budowy geologicznej, itd. = 0,3 i pomniejszony

o 25 % ze względu na charakter zlewni.

- jednostkowy spływ minimalny.

Q_min - średni roczny przepływ [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

3. Przepływ średni niski.

Q₁ = 0,4 · ν · Q_śr = 0,4 · 0,225 · 0,0752 = 0,00677

Q_śr - średni roczny przepływ [m³/s],

ν - współczynnik zależny od fizjografii, budowy geologicznej, itd. = 0,3 i pomniejszony

o 25 % ze względu na charakter zlewni.

- jednostkowy średni spływ niski.

Q₁ - średni roczny przepływ [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

4. Przepływ średni normalny.

Q₂ = 0,7 · ν · Q_śr = 0,7 · 0,225 · 0,0752 = 0,0118

Q_śr - średni roczny przepływ [m³/s],

ν - współczynnik zależny od fizjografii, budowy geologicznej, itd. = 0,3 i pomniejszony

o 25 % ze względu na charakter zlewni.

- jednostkowy średni spływ normalny.

Q₂ - średni roczny przepływ [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

4. Obliczenia przepływów wielkich wód o nieokreślonym prawdopodobieństwie występowania metodą wzoru Iszkowskiego.

Q_k = m · C_w · P_śr · A = 9,75 · 0,290 · 0,8335 · 5,174 = 12,19

Q_k - przepływ wielkiej wody tzw. katastrofalnej [m³/s],

C_w - współczynnik zależny od współczynnika średniego rocznego odpływu ( C_s = 0,55 dla gór jak Wogezy, Beskidy) oraz od kategorii zlewni = 0,290 ( kategoria zlewni - III),

m - współczynnik zależny od wielkości zlewni = 9,75 ( obliczony z proporcji dla zlewni

o powierzchni ≈ 5 km² ),

P_śr - średni roczny opad = 833,5 mm ( średnia arytmetyczna z obliczeń metodą izohiet i metodą wieloboków równego zadeszczenia) [m],

A - powierzchnia zlewni [km²].

- spływ jednostkowy.

Q_k - przepływ wielkiej wody tzw. katastrofalnej [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

5. Obliczenia przepływów wielkich wód o nieokreślonym prawdopodobieństwie występowania metodą wzoru Loewego.

1. Wielka woda letnia.

Q_l = k₁ · k₂ · k₃ · k₄ · P_l · A = 2,50 · 0,56 · 0,91 · 1 · 0,142 · 5,174 = 0,936

P_l - średni opad z miesięcy letnich = 0,142 ( P_l = 0,17 · P_śr) [m],

P_śr - średni roczny opad = 833,5 mm ( średnia arytmetyczna z obliczeń metodą izohiet i metodą wieloboków równego zadeszczenia) [m],

A - powierzchnia zlewni [km²],

k₁, k₂, k₃, k₄ - współczynniki określające charakter zlewni:

k₁ = 2,50 ( dla skały zalesionej ),

k₂ = 0,56 ( dla spadku terenu = 83,95 ‰ ),

k₃ = 0,91 (dla powierzchni zlewni = 5,174 km² ),

k₄ = 1 ( ponieważ stosunek A_jez/A jest bardzo mały).

- spływ jednostkowy wody letniej.

Q_l - przepływ wielkiej wody letniej [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

2. Wielka woda zimowa

Q_z = k₁ · k₂ · k₃ · k₄ · P_l · A = 4,50 · 0,56 · 0,91 · 1 · 0,208 · 5,174 = 2,468

P_z - średni opad z miesięcy zimowych = 0,208 ( P_z = 0,25 · P_śr) [m],

P_śr - średni roczny opad = 833,5 mm ( średnia arytmetyczna z obliczeń metodą izohiet i metodą wieloboków równego zadeszczenia) [m],

A - powierzchnia zlewni [km²],

k₁, k₂, k₃, k₄ - współczynniki określające charakter zlewni:

k₁ = 4,50 ( dla skały zalesionej ),

k₂ = 0,56 ( dla spadku terenu = 83,95 ‰ ),

k₃ = 0,91 (dla powierzchni zlewni = 5,174 km² ),

k₄ = 1 ( ponieważ stosunek A_jez/A jest bardzo mały).

- spływ jednostkowy wody zimowej.

Q_z - przepływ wielkiej wody letniej [m³/s],

A - powierzchnia zlewni [km²].

6. Obliczenia odpływu.

1. Odpływ z całej powierzchni zlewni.

V = Q_śr · t = 0,0752 · 31536000 = 2371507,2 m³

Q_śr - średni roczny przepływ [m3/s],

t - czas ( ilość sekund w roku = 365 · 24 · 60 · 60 = 31536000) [s].

2. Odpływ jednostkowy ( warstwa odpływu).

0,458 m = 458 mm

V - odpływ z całej zlewni [m³],

A - powierzchnia zlewni [m²].

7. Zestawienie elementów bilansu wodnego.

Rok	Wysokość opadu P [mm]	Odpływ jednostkowy H [mm]	Współczynnik odpływu	Wysokość parowania E [mm]	Różnica retencji ΔR ΔR = P - ( H + E )
2005	833,5	458	0,56	400	-24,5

P - średni roczny opad = 833,5 mm ( średnia arytmetyczna z obliczeń metodą izohiet i metodą wieloboków równego zadeszczenia) [m],

R = 300 + 255 + 0,05 ∙ T = 564,45 [mm],

T - średnia roczna temperatura [ºC],

8. Wnioski.

Zlewnia rzeki Kamienna jest to zlewnia górska charakteryzująca się dość dużym spadkiem ( 158,7 ‰) co powoduje szybki spływ wody do cieków oraz zmniejsza możliwość wsiąkania wody. W związku z tym mamy do czynienia z szybkim spływem i bardzo małą retencją. Teren zlewni jest praktycznie całkowicie zalesiony ( zalesienie wynosi 95 %).

Średni roczny przepływ rzeki Kamienna wynosi 0,0752 m³/s, natomiast odpływ z całej powierzchni zlewni wynosi 2371507,2 m³. Dzięki obliczeniu tych wartości mogłam sporządzić bilans wodny rzeki Kamienna. Bilans ten jest deficytowy, ponieważ ΔR = - 24,5 mm < 0. Współczynnik odpływu α = 0,56 a odpływ i parowanie wzrastają wraz ze wzrostem opadu. Pozwala to zakwalifikować dorzecze rzeki Kamienna do II typu hydrologicznego.

Dla rozwiązania bilansu wodnego zlewni rzeki Kamienna dla roku 2005

zastosowałam równanie:

P = H + E + ΔR

P - opad atmosferyczny,

H - dopływ jednostkowy,

E - parowanie całkowite,

ΔR - różnica retencji.

Opady atmosferyczne są największym elementem przychodu w bilansie wodnym. Dla oceny warstwy odpływu zastosowałam metodę izohiet oraz metodę wielokątów równego zadeszczenia, wykorzystując wyniki pomiarów z 5 stacji opadowych. Opady wyniosły średnio 833,5 mm, co stanowi 48,57 % przychodu. Parowanie całkowite będące drugim co do wielkości elementem w rozchodzie wody (23,31 %) wyniosło 400 mm. Określiłam je na podstawie mapy rozkładu rocznych izotym obliczonych przez Awłasiewicza. Odpływ jednostkowy jest największym elementem pod względem wielkości w rozchodzie wody (26,69 %) i wyniósł 458,0 mm. Różnica retencji wód powierzchniowych jest składową zamykającą równanie. Wynosząc w przeliczeniu na warstwę wody 24,5 mm, stanowi 1,43 % w rozchodzie wody.

---