HYDROLOGIA

1. Co to jest stan wody, do czego się on przydaje?

Jest to wzniesienie zwierciadła wody w cieku ponad umowny poziom odniesienia. Dla uproszczenia zapisu wzniesienie zwierciadła wody liczymy od ustalonego „zera” wodowskazu. Taki pomiar nazywamy stanem wody, w odróżnieniu od poziomów liczonych względem przyjętego zera .......... Na podstawie wieloletnich pomiarów można określić charakterystyczny rozkład stanów wody dla danej rzeki w danym miejscu.
Wyznacza się wówczas strefy stanów wody:

* strefę stanów niskich
* strefę stanów średnich

* strefę stanów zwyczajnych

* strefę stanów wysokich
* stan ostrzegawczy
* stan alarmowy

Stan wody zależy od:
- czynników atmosferycznych
- ukształtowania terenu i klimatu

2. Co to jest COFKA i WODOWSKAZ (profile wodowskazowe)?

COFKA - podwyższenie lustra wody postępujące w górę biegu cieku wodnego powstające wskutek podnoszenia się stanu wody w zbiorniku, do którego ciek wchodzi - np.: w morzu, jeziorze lub rzece przyjmującej dopływ. Może wystąpić w wyniku spiętrzenia wody przez długotrwałe wtłaczanie wody w górę cieku, w wyniku pojawienia się zatoru lodowego lub działania zapory wodnej.

WODOWSKAZ - urządzenie służące do pomiarów terminowych stanów wody. Najczęściej jest wykorzystywany typ wodowskazu w formie metalowych lub plastikowych segmentów zamocowanych we wnęce przekroju drewnianej łaty.
Inne rodzaje wodowskazów:

* palowy (składa się z szeregu pali wbitych w przekroju poprzecznym rzeki w dno i skarpy. Główki pali mają określone rzędne ponad poziom porównawczy. Pomiar polega na określeniu wzniesienia zwierciadła wody ponad główką pala zanurzonego w wodzie. Stosowany na nieuregulowanych ciekach).
* pływakowy
* skośny (montowane na skarpach cieków po regulacji (w żłobach). W tego typu łatach podziałka jest skażona (wielkość skażenia zależy od kąta nachylenia skarp cieku). Przy takim położeniu łat odczyt jest bardzo dokładny, gdyż nie następuje spiętrzenie wody na wodowskazie. Wodowskaz jest usytuowany bokiem do nurtu.
* rejestrujący (cyfrowy, analogowy)

Rodzaje obserwacji wodowskazowych:

* obserwacje terminowe
* obserwacje zwyczajne

* obserwacje nadzwyczajne

Profil wodowskazowy powinien być tak zlokalizowany, aby możliwe było właściwe funkcjonowanie posterunku.

Lokalizacja profilu winna spełniać następujące warunki:

* koryto rzeki w profilu wodowskazowym powinno być zwarte, jednolite i mieścić (w miarę możliwości) cały przepływ rzeki;

* zwierciadło wody w profilu wodowskazowym powinno być swobodne;

* dno rzeki nie powinno ulegać zmianom (erozji lub akumulacji), jak również nie powinno zarastać roślinnością rzeczną;

* profil musi być tak dobrany, aby istniały w nim dogodne warunki techniczne do założenia wodowskazu oraz by można było zapewnić dobrą ochronę wodowskazu przed uszkodzeniami

* wodowskaz musi być łatwo dostępny dla obserwatora
3. Jak się nazywają wodomierze i jaką mają dokładność?

WODOMIERZ - to potoczna nazwa wskaźnika lub przyrządu pomiarowego będącego połączeniem przepływomierza z licznikiem. Jednostką miary jest m³.
Pozwala określić zużycie wody przez odbiorcę, dzięki czemu jest możliwe ustalenie opłaty innej niż ryczałtowa.
Podział wodomierzy:

* mokrobieżne
* suchobieżne
* hybrydowe
* przemysłowe

4. Co to są LIMNIGRAFY, LIMNIMETRY?

LIMNIGRAF - jest to urządzenie rejestrujące zmiany poziomu wód stojących lub płynących poprzez zapis liniowy (limnigram) na specjalnie wyskalowanym pasku papieru. Działa on cały czas.
LIMNIMER - przyrząd do rejestracji zmiany stanu wody w czasie. Przyrząd składa się z urządzenia pomiarowego i urządzenia rejestrującego.
Stosowane są limnimetry:

* Pływakowe

* Ciśnieniowe

* Elektroniczne

Urządzenia rejestrujące mogą być:

* Mechaniczne

* Analogowe

* Cyfrowe

5. Co przedstawiają wykresy czasu trwania stanów wody wraz ze stanami wyższymi i niższymi?






6. Pełne dane hydrometryczne.

Do pełnych danych hydrometrycznych należą:

* stan wody
* przekrój
* przepływ - ilość wody przepływającej przez poprzeczny przekrój koryta cieku wodnego
(np.: koryto rzeki) w jednostce czasu. Jest on podawany w m³/s lub l/s. Nazywany jest jako natężenie przepływu).

7. Przepływ miarodajny.

Jest to jeden z przepływów umownych. Służy do projektowania, liczenia, zależy od klasy budowli.
I GRUPA:
- klasy główne
- klasy okresowe

- prawdopodobne
II GRUPA:
- klasy miarodajne
- klasy konwencjonalne

8. Przepływ nienaruszalny.

Jeżeli zaistnieje taki przepływ w korycie, który jest mniejszy to nie wolno pobierać wody. Żeby go określić trzeba znać przepływ pozaekonomiczny?!, kryterium to nie zależy od zadanego przepływu.
Przepływ nienaruszalny - przepływ minimalny ilości wody niezbędnej do utrzymania życia biologicznego w cieku wodnym.

9. Do czego służy krzywa sumowania odpływu?

Krzywa sumowania odpływu zwana też krzywą całkowania lub krzywą S. Jest to krzywa, której rzędna każdego punktu wskazuje jaka sumaryczna ilość wody przepływa przez dany przekrój od początku rozpatrywanego okresu (np.: rok) do czasu określonego odciętą tego punktu.


Właściwości krzywej sumowania:

* zawsze rośnie lub co najwyżej ma przyrost zerowy
* rzędna punktu końcowego wskazuje całkowity odpływ w badanym okresie.
* nachylenie stycznej do krzywej S w dowolnym punkcie wyznacza przepływ chwilowy w czasie danym przez odciętą tego punktu.

Krzywa sumowania odpływu jest szeroko wykorzystywana w projektowaniu obiektów hydrotechnicznych, a szczególnie zbiorników referencyjnych.

10. Obliczanie charakterystycznych przepływów metodami bezpośrednimi.

* metoda przelewów cechowanych
* metoda chemiczna (konduktometryczna)


* metoda wolumetryczna (metoda podstawionego naczynia - metoda objętościowa) - służy ona do pomiaru przepływu w małych ciekach oraz wydajności niewielkich źródeł. Polega ona na bezpośrednim pomiarze ilości przepływającej wody za pomocą naczynia o znanej pojemności.
Natężenie przepływu oblicza się według wzoru:
Q[dm³ /s] = V (objętość wody w podstawionym naczyniu) / t (średni czas napełnienia naczynia)

11. Waga Wilda

Waga Wilda - przyrząd do pomiaru parowania wody ze zwierciadła wody. Mierzy ona w mm.

12. OMBROMETR - deszczomierz.

OMBROMETR - inaczej pluwiometr, deszczomierz. Przyrząd do pomiaru ilości opadów atmosferycznych. Najpowszechniej używane deszczomierze Helimana są naczyniami o strych krawędziach, znanej powierzchni górnego otworu, umieszczonymi na wysokości 1m nad gruntem.

13. Charakterystyka stanów wody.


14. Krzywe, związki wodowskazów.

Jest to wykres obrazujący zależność stanów wody dwu sąsiednich wodowskazów. Zależność tą określa się dla stanów korespondujących, tzn. odpowiadających sobie na 2 wodowskazach. Przyjmuje się najczęściej stany najwyższe i najniższe z pełnego okresu. Stany korespondujące to stany z tego samego dnia.
Krzywa ta służy do:

* prognozowania stanów wody na niższym wodowskazie
* uzupełniania obserwacji
* kontroli spostrzeżeń wodowskazowych

15. Jak się przechodzi ze stanów do przepływów?

16. Jak się wyznacza przepływy?

- metoda bezpośrednia (objętościowa, hydrauliczna)
- metoda pośrednia (punktowa, odcinkowa)
- metoda empiryczna

17. Czas koncentracji.

Pokazuje, kiedy natężenie było największe; składa się z różnych czasów (czas przepływu po terenie)

18. Natężenie deszczu.

Wysokość opadu na czas trwania opadu. Zależy od czasu trwania, położenia obserwatora, wysokości opadu).

19. Równanie bilansu wodnego.

Bilans wodny - zestawienie obiegu wody w przyrodzie na poszczególnych obszarach z podzieleniem na przychody i odpływy. Mierzy się go biorąc pod uwagę ilość opadów na dolnym terenie, odpływ powierzchniowy, podziemny z danego terenu, parowanie.
Do obliczania bilansu wodnego stosuje się równanie bilansu wodnego Pencka-Oppokowa:

P = H + E + ΔR

P - opady
H - odpływ (podziemny, powierzchniowy)
E - parowanie
ΔR - zmiana retencji (retencja powierzchniowa, podziemna)
Równanie to wyznacza się dla okresowego obszaru (zalewu, dorzecza) dla roku hydrologicznego.

* krótki okres czasu:

P = Z + S + W + R

S - straty
W - odpływ
R - pozostałość na końcu bilansowania

* długi okres czasu:

P = S + W

20. Krzywa natężenia przepływu.
Krzywa natężenia przepływu jest graficznym przedstawieniem zależności:

Q = f(H,m)
Q - przepływ
H - stan wody
m - zmienna, charakteryzująca wpływ zmian w profilu podłużnym zwierciadła wody

Wykres krzywej konsumpcyjnej w prostokątnym układzie współrzędnych powstaje przez odłożenie na osi poziomej wartości natężenia przepływu Q, a na osi pionowej odpowiadających im stanów wody H.

Q = F*v
F- czynna powierzchnia przekroju poprzecznego [m³]

v - średnia prędkość przekroju [m/s]

Na wykresie krzywej przepływu wyróżniamy:

* punkt denny - wyznacza stan wody, przy którym przepływ Q jest równy C
* punkt załomu - wyznaczony przez przesunięcie się skarpy brzegowej z rzędną koryta niskiej wody
* punkt brzegowy - znajduje się na poziomie stanu brzegowego, tj. stanu wody odpowiadającego położeniu krawędzi brzegu koryta
* punkt graniczny łożyska - odpowiada najwyższemu stanowi obserwowanemu w danym profilu wodowskazowym w okresie obserwacji.
INNE POJĘCIA
Elementy cieku - łożysko, koryto, teren zalewowy, dolina cieku

Dorzecze - obszar, z którego wody opadowe spływają powierzchniowo lub podziemnie do jednego systemu rzecznego i rzeką główną płyną do morza.

Zlewnia - niewielki obszar odwodniony przez ciek lub system rzeczny zamknięty działem wodnym i dowolnym przekroju rzeki. Typy zlewni:
- zlewnia rzeki
- zlewnia jeziora
- zlewnia bezodpływowa
- zlewnia bifigująca

Zlewisko - obszar, z którego wody spływają do morza lub oceanu.

Tahoida - zależność prędkości przepływu od głębokości.

Izotacha - linia jednakowych prędkości w pewnych odstępach czasu.

Przyrządy do pomiaru prędkości wody:
- pływaki
- dynamometry
- batymetry


Przykłady metod pomiaru i obliczania przepływu
A) Metody jednoparametrowe

* Pomiar za pomocą podstawionego naczynia - Jest to najprostsza metoda polegająca na pomiarze ilości wody dopływającej do podstawionego wycechowanego naczynia. Znając objętość naczynia V i czas jego napełnienia t, określa się natężenie przepływu. Jest to metoda najdokładniejsza, lecz możliwość jej stosowania ogranicza się do cieków o bardzo małym przepływie.

* Pomiar za pomocą przelewów - Metoda wymaga zainstalowania w przekroju pomiarowym przelewu, którego kształt jest zależny od amplitudy zmian przepływu. Przepływ obliczamy ze wzorów, mierząc wysokość warstwy przelewającej się wody h w odległości co najmniej 3h od przelewu z uwagi na krzywiznę zwierciadła wody nad przelewem.

Najczęściej stosowanymi przelewami są:

- przelew Ponceleta

- przelew Thomsona

* Metoda kolorymetryczna - znajduje ona zastosowanie dla małych potoków górskich charakteryzujących się dużą burzliwością ruchu. Polega ona na wprowadzeniu do wody płynącej korytem potoku roztworu znacznika (barwnika) o znanym stężeniu. W przekroju kontrolnym pobiera się próbki wody zabarwione znacznikiem, których stężenie mierzy się przyrządem zwanym kolorymetrem zaopatrzonym w fotokomórkę.

B) Metody wieloparametrowe

* Metody punktowe

Przekrój wybrany do pomiaru nazywamy przekrojem hydrometrycznym. Powinien on być regularny, położony na prostym odcinku rzeki i wytyczony prostopadle do kierunku ruchu wody. Pomiar przepływu składa się z dwóch części: sondowania głębokości i pomiaru prędkości. Aby dokonać sondowania przekroju należy nad zwierciadłem wody rozciągnąć wyskalowaną linę pomiarową lub taśmę.

Obliczenie objętości przepływu na podstawie wyników punktowych pomiarów prędkości:

- metoda rachunkowa

- metoda Harlachera

- metoda Culmanna

* Metoda odcinkowa

Odcinkowe pomiary przepływu polegają na pomiarze prędkości na wybranym odcinku cieku za pomocą pływaków. Do płynącej wody wrzuca się przedmioty nietonące, które poruszają się z prędkością powierzchniową. Pływakiem może być krążek drewniany, butelka częściowo napełniona wodą itp.

Mnożąc obliczoną prędkość średnią przez pole środkowego przekroju poprzecznego koryta F (m²) otrzymujemy wartość przepływu średniego Q.

Metody obliczania przepływów ze zlewni niekontrolowanej

Zlewnia niekontrolowana - taka zlewnia, na której nie ma wodowskazów (nie ma obserwacji)

Metody:

Empiryczne:
- najbardziej niedokładne
- przyjmujemy jakąś wartość
Analogii
porównujemy zlewnie (2 lub więcej)
a) interpolacji
b) zlewni różnicowej
c) ekstrapolacji

1. Metoda interpolacji

Gdzie:
- przepływ w badanym profilu, np.
- powierzchnia profilu dolnego

2. Metoda zlewni różnicowej

- odpływ jednostkowy

3. Metoda ekstrapolacji - stosuje się ją gdy powyższe dwie metody nie mogą zostać użyte

Metody empiryczne:

- wzory empiryczne

- normy odpływu

- mapy … r. odpływu

Wzory empiryczne powinny mieć fizyczne uzasadnienie

Wzory powinny być stosowane na wiarygodnych danych.




Wzór Iszkowskiego to wzór empiryczny, umożliwiający obliczenie przybliżonej wartości przepływu średniego (średniej wody) w danym profilu cieku.
Wzór ten - jako wzór empiryczny - może być zastosowany do obliczeń w przypadku, gdy brak jest odpowiednich danych hydrometrycznych ( stan, przepływ, przekrój). Pozwala on bowiem określić jedynie wartość przybliżoną przepływu średniego.

Q_śr = 0,032αHA

Q_śr - przepływ średni (średnia woda) [m³/s]
α - współczynnik odpływu,
H - wysokość normalnego opadu rocznego [m]
A - powierzchnia zlewni [km²]

Zależność prędkości przepływu od głębokości - tachoida

profile porównawcze (górny i dolny)

profil badany

profile porównawcze (górny i dolny)

profil badany

---