Hydrologia, rok III, wykład 9
1/15
Odpływ ze zlewni
• Zlewnia (ang. watershed, catchment) – obszar z którego wody
opadowe spływają do określonego punktu leŜącego w korycie cieku
• Granica zlewni – zamknięta krzywa będąca zwykle linią
grzbietową, zawierającą punkt przez który odpływająca woda
opadowa opuszcza zlewnię w postaci odpływu skupionego
granica zlewni
przekrój
zamykaj
ą
cy
zlewni
ę
Schemat zlewni
Hydrologia, rok III, wykład 9
2/15
Formowanie się odpływu ze zlewni
opad na pow. cieków
spływ powierzchniowy
czas od rozpocz
ę
cia opadu
odpły
w podziemny
odpływ
podpo
wierzch
niowy
w
zro
st
uw
ilg
otn
ie
nia
g
ru
ntu
rete
ncja
pow
ierzc
hnio
wa
inter
cep
cja
n
a
t
ę
Ŝ
e
n
ie
o
p
a
d
u
P
Q
(t
)
t
in
fi
lt
ra
c
ja
i parowanie
Hydrologia, rok III, wykład 9
3/15
Bilans objętości wody na powierzchni gruntu
L(t) + E(t) + f(t) + r(t) + I(t) = P(t)
L
– intercepcja,
E
– parowanie,
f
– infiltracja,
r
– retencja powierzchniowa,
I
– opad efektywny (powoduj
ą
cy spływ powierzchniowy)
Hydrologia, rok III, wykład 9
4/15
• analiza reakcji zlewni na opad o charakterze nawalnym sugeruje
cztery podstawowe drogi zasilania koryta cieku:
– spływ powierzchniowy (Q
s
(t))
– odpływ podpowierzchniowy (Q
p
(t)),
– odpływ gruntowy (podziemny) (Q
g
(t))
– bezpośrednie zasilanie koryta opadem na powierzchnię cieków
(I
b
(t)
≈
0)
spływ powierzchniowy
odpływ podpowierzchniowy
odpływ podziemny
opad
opad
Formowanie się odpływu całkowitego Q(t) ze zlewni
Q(t) = Q
s
(t) + Q
p
(t) + Q
g
(t)
Odpływ całkowity:
Hydrologia, rok III, wykład 9
5/15
•
Spływ powierzchniowy
– Grawitacyjne przemieszczanie się wody opadowej po nasyconej powierzchni
gruntu przepuszczalnego lub po powierzchni gruntu nieprzepuszczalnego oraz w
mikro-sieci hydrograficznej zgodnie ze spadkiem. Q
s
występuje po wypełnieniu
wszystkich moŜliwych form retencji powierzchniowej, infiltracji i parowania
•
Odpływ podpowierzchniowy
– Jest to część wody, która w wyniku infiltracji wsiąkła do gruntu i zaczęła
przemieszczać się poziomo w strefie nienasyconej. Zwykle po pewnym czasie
woda ta wypływa na powierzchnię terenu i łączy się ze spływem
powierzchniowym. Jest on opóźniony w stosunku do spływu powierzchniowego i
pojawia się po pewnym czasie od rozpoczęcia opadów, zanikając z czasem
•
Odpływ podziemny
– Zasilanie cieku wodą podziemną (strefa saturacji) wynikające ze spadku jej
zwierciadła. Wpływ na odpływ całkowity ma małe znaczenie w trakcie opadów
nawalnych, ma zasadnicze znaczenie w okresach bezdeszczowych
Hydrologia, rok III, wykład 9
6/15
Hydrogram odpływu
• graficzne lub tabelaryczne przedstawienie zmienności w czasie
natęŜenia odpływu dla wybranego punktu (przekroju) cieku
• „integralne wyraŜenie charakterystyk fizjograficznych i
klimatycznych, które determinują relację pomiędzy opadem a
odpływem na obszarze danej zlewni” – Chow (1959)
• rodzaje hydrogramów:
– roczny
– wezbraniowy
Hydrologia, rok III, wykład 9
7/15
Hydrogram roczny
• Wykres natęŜeń przepływu w czasie Q(t) dla okresu 1 roku ilustruje
długoterminowy bilans opadów, parowania i odpływu w zlewni
klimat wilgotny
t
1000
100
110
1
Q
[m /s]
3
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
klimat suchy - rzeka okresowa
Q
[m /s]
3
t
10000
1000
100
10
1
0
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
rzeka o stałym zasilaniu,
np. przez topnienie
ś
niegu
Q
[m /s]
3
t
1000
100
10
1
0
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
klimat
wilgotny
klimat suchy - rzeka okresowa
rzeka o stałym zasilaniu
np. przez topnienie
ś
niegu
Hydrologia, rok III, wykład 9
8/15
Hydrogram wezbraniowy
• reakcja zlewni na opad nawalny (burzowy):
– hydrogram prosty – jedna kulminacja, kształt niesymetrycznej
krzywej dzwonowej
krzywa
wznoszenia
opad efektywny
C
kulminacja
krzywa
wysychania
A
B
czas trwania spływu
powierzchniowego
krzywa opadania
D
E
t
krzywa wysychania
(recesji)
spływ powierzchniowy
odpływ podpowierzchniowy
odpływ
podziemny
P(t)
Q(t)
[m /s]
3
mm
t
∆
t
intercepcja + parowanie + infiltracja
+ retencja powierzchniowa
Hydrologia, rok III, wykład 9
9/15
• rozdział hydrogramu prostego
N
Q
Q
g
t
N = const – czas trwania spływu powierzchniowego po kulminacji
Hydrologia, rok III, wykład 9
10/15
Odpływ powierzchniowy
• Opad efektywny I(t) – część opadu całkowitego wywo-łująca spływ
powierzchniowy:
– P(t)
opad całkowity
– E(t)
parowanie
» w trakcie opadów jest silnie zredukowane
– L(t)
intercepcja
» ma znaczenie w początkowej fazie opadu w zlewniach z bogatą
szatą roślinną
– R(t)
retencja powierzchniowa
» jest istotne w początkowej fazie opadu w zlewniach
słaboprzepuszczalnych, np. zurbanizowanych
– f(t)
infiltracja
» ma zasadnicze znaczenie i decyduje o opadzie efektywnym
I(t) = P(t)
−
E(t)
−
L(t)
−
R(t)
−
f(t)
Hydrologia, rok III, wykład 9
11/15
P
g
(t) = P(t) –
∆
P(t)
Wyznaczenie opadu efektywnego I(t)
P
g
(t)
– wysoko
ść
opadu na powierzchni gruntu,
∆
P(t)
– ł
ą
czne straty opadu całkowitego
wywołane parowaniem, intercepcj
ą
oraz retencj
ą
powierzchniow
ą
Zatem:
opad efektywny I(t)
t
infiltracja f
K
f
P
g
( )
( ) ( )
t
f
t
P
t
I
g
−
=
( )
0
=
t
I
( ) ( )
t
f
t
P
g
≥
( ) ( )
t
f
t
P
g
<
gdy
gdy
Hydrologia, rok III, wykład 9
12/15
• Warunki stosowania metody:
– dostępność stosownych danych umoŜliwiających obli-czenie
infiltracji
• Metody przybliŜone stosowane w przypadku braku danych:
– metoda współczynnika odpływu
– metoda SCS
Hydrologia, rok III, wykład 9
13/15
Metoda współczynnika odpływu
• z warunku ciągłości:
S
S
V
I
=
∫
⋅
=
T
s
dt
t
I
I
0
)
(
∫
⋅
=
T
s
s
dt
t
Q
V
0
)
(
• Współczynnik odpływu ze zlewni:
c
s
P
V
=
α
obj
ę
to
ść
wody odpowiadaj
ą
ca
opadowi efektywnemu w czasie
T
obj
ę
to
ść
odpływu powierzchniowego
w przedziale czasu
〈
0,
T〉
α
– współczynnik odpływu (
α
< 1)
P
c
– opad całkowity na zlewni
⋅
∫
T
dt
t
P
0
)
(
Hydrologia, rok III, wykład 9
14/15
• Średni współczynnik odpływu zaleŜy od:
– r
- wskaźnika zdolności retencyjnej zlewni
– P
c
- opadu całkowitego
– t
p
- czasu trwania opadu
–
δ
- wskaźnika sezonowego
(
)
δ
α
α
,
,
,
p
c
t
P
r
=
• Przykład (zlewnia górnego Dunajca – przekrój Nowy Targ):
93
,
0
100
1
3573
p
k
c
k
t
P
⋅
⋅
⋅
=
α
k = 2,88(0,8 + 0,25
⋅
log (r))
–1
r [m
3
/s]
P
c
[mm]
t
p
[h]
• Wartość powyŜsza jest średnią – umoŜliwia prognozę objętości
wezbrania: V
s
=
α
·P
c
Hydrologia, rok III, wykład 9
15/15
• Uzmiennienie w czasie odpływu (opadu efektywnego):
I
∆
t
–
opad efektywny w przedziale czasu
∆
t
P
∆
t
–
opad całkowity w przedziale czasu
∆
t
( )
t
t
P
t
I
∆
∆
⋅
=
α
• Wada – zawyŜanie opadu efektywnego w początkowym okresie
opadów, gdy straty wody są największe (retencja powierzchniowa,
intercepcja, infiltracja)
1,0
0,5
0,0
t
T
t
α
α
ś
r
0
Zale
Ŝ
no
ść
α
od czasu