background image

Ćwiczenie 2

Temat: 

  I. Obliczanie przepływów 
charakterystycznych.
 II. Projektowanie nowej trasy i przekroju 
poprzecznego cieku.

I.Obliczanie przepływów charakterystycznych

Przepływ

 (natężenie przepływu) – ilość (objętość) 

wody przepływającej w danym miejscu w jednostce 
czasu. Symbol „

Q”

 (m

3.

s

-1

)

Metody określania przepływów charakterystycznych:

- metody bezpośrednie,
- metody pośrednie (metody analogii 

hydrologicznej),

- metody empiryczne.

background image

Metody empiryczne

Wzory

 

Iszkowskiego

:

 
     

Q

S

 =

 

SQ = 0,03171  C

S

 

 P 

 A    

(m

-3

·s

-1

)

Q

S

 

- przepływ średni, przepływ teoretyczny służący do wyznaczenia 

trzech  charakterystycznych niskich przepływów: 

Q

O

Q

1

Q

2

;

C

S

 - współczynnik odpływu dla całej zlewni

 P

 - opad roczny w zlewni [m],

 A

 - powierzchnia zlewni [km

2

]

   

Q

O

 

=

 

NNQ

 

= 0,2 

 ν 

 Q

S

        

(m

-3

·s

-1

)

 

Q

O

 - przepływ absolutnie najniższy z okresu obserwacyjnego minimum 

20-letniego
 

 ν 

- („ni”) – współczynnik uzależniony od zdolności retencyjnej zlewni;

 
  

Q

1

 

=

 

SNQ

 

= 0,4 

 ν 

 SQ         

(m

-3

·s

-1

)

 Q

1

 - przepływ średni niski, średni z najmniejszych corocznych z okresu 

min. 20-letniego
 
     

Q

2

 = 

ZQ = 0,7 

 ν 

 Q

S

         

(m

-3

·s

-1

)

 Q

2

 - przepływ średni normalny, odpowiada przepływowi z około 270 

dni w ciągu roku

background image

Q

4

 = WWQ = C

w

 

 m 

● 

 A  

 (m

-3

·s

-1

)

 Q

4

 

- przepływ katastrofalny (najwyższy wielki przepływ z okresu min. 

20-letniego)
  

C

w

 - współczynnik uwzględniający urzeźbienie terenu i 

przepuszczalność gleby w zlewni,
  

m

 - współczynnik zależny od wielkości zlewni,

   

P

 - opad roczny w zlewni [m],

   

A

 - powierzchnia zlewni [km

2

]

 
 

Q

3L

 

=

 

WQ

= 0,2 

 Q

4

   

(m

-3

·s

-1

)

 Q

3L

 - wielki przepływ wody letniej

 

Q

3Z

 = WQ

= 0,4 

 Q

4

  

(m

-3

·s

-1

)

 Q

3L

 

- wielki przepływ wody zimowej

background image

C

W

Lp

Rzeźba terenu

C

S

Kategoria zlewni

I

II

III

IV

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Bagna i niziny
Płaszczyzny i płaskowzgórza
Płaszczyzny połączone z pagórkami
Pagórki o łagodnych stokach
Pagórki bardziej strome i podgórza
Wzgórza i wyskoki większych pasm 
górskich

0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45

0,019
0,025
0,029
0,034
0,039
0,045

0,030
0,043
0,055
0,067
0,079
0,100

--
--
--

0,124
0,160
0,200

--
--
--
--

0,390
0,440

Tabela 1.Wartości współczynników

 C

S

 

C

W

 wg 

Iszkowskiego
                w modyfikacji A. Wierzchowskiego

Tabela 1a. Wartości współczynników 

m

F - km

2

1

10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 500 100

0

Podgó

rze

25,

0

22,

3

19,

8

17,

8

16,

3

14,

8

10,

7

8,8

0

7,1

6

7,0

3

6,5

5

5,9 4,7

Niziny 20,

0

17,

0

14,

0

12,

0

10,

8

9,8 7,4 7,1

0

6,8

7

6,7

0

6,5

5

5,9 4,7

background image

Wyznaczenie współczynnika m

m

 

 metodą interpolacji prostej

np.                A = 68 km

2

 

m dla 50 km

 - 9,8

               100 km

2  

- 7,4

50 km

 - 2,4

18 km

18 km

 

 - x

68 km

 - 50 km

 = 

18 km

18 km

x = (18 · 2,4) : 50 = 0,864

      stąd: 

   m

 (dla A = 68 km

) = 9,8 – 0,864 = 8,936

50 km

 - 2,4          lub  100 km

 - 68 km

 = 

32 km

32 km

2

2

 

32 km

32 km

 

 - x

 

 

 

                  x = (32 · 2,4) : 50 = 1,536

     stąd:    

m

 (dla A = 68 km

) = 7,4 + 1,536 = 8,936

background image

Lp. Powierzchn

ia

 zlewni w 

km

2

Warunki 

w zlewni

Kategori

a zlewni

1.

2.

3.

4.

> 1000

0 - 1000

0 - 1000

0 – 300

Zlewnie nizinne - teren uprawny, 

przepuszczalny, zarosły

Zlewnie nizinne i podgórskie - warunki 

średnie

Zlewnie podgórskie i górskie, gleby mało 

przepuszczalne, słaba roślinność

Zlewnie górskie - bez roślin, grunt 

nieprzepuszczalny

I

II

III

IV

Tabela 2. Klucz do oznaczania 

kategorii zlewni

Tabela 2a. Wartości współczynników 

 

1. Zlewnie z przewagą gruntów nieprzepuszczalnych:

 

 

 

 

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

---

        a)  na  równinie,  przy  odpływie  wyrównanym  przez  jeziora  i 

stawy.............................      1,5

 

 

 

 

b) 

na 

równinie 

bez 

jezior 

stawów..............................................................................      1,0

 

 

 

 

c) 

terenie 

słabo 

pofałdowanym...............................................................................      0,8

 

 

 

 

d) 

okolicy 

pagórkowatej 

mniejszych 

górach.................................................... ..  0,6-0,5

2. Zlewnie z przewagą gruntów przepuszczalnych:

 

 

 

 

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

---

 

 

 

 

a) 

gruncie 

średnio 

przepuszczalnym, 

roślinność 

normalna.....................................      1,0

 

 

 

 

b) 

gruncie 

niezbyt 

przepuszczalnym, 

roślinność 

bogata..........................................      0,8

 

 

 

 

c) 

gruncie 

wybitnie 

przepuszczalnym, 

roślinność 

skąpa..........................................      0,4

UWAGA

: Dla zlewni o F< 200 km

2

 współczynniki  przyjęte w pkt. 1 lub 2 

należy zmniejszyć o  25%

background image

Przepływ 

charakterystyczny

Spływ (odpływ) 

jednostkowy 

Q

[m

3 . 

s

-1

]

q

[l

.

s

-1.

km

-2

]

Q

O

q

O

Q

1

q

1

Q

2

q

2

Q

S

q

S

Q

3L

q

3L

Q

3Z

q

3Z

Q

4

q

4

             [l·s

-

1

·km

-2

]

Zestawienie przepływów 

oraz odpływów 

jednostkowych

A

1000

 

 

Q

q

Odpływ jednostkowy 

q

 - objętość (ilość) wody spływająca z powierzchni 
km

2

 zlewni w czasie 1 sekundy.

background image

II. Projektowanie nowej trasy i przekroju 

poprzecznego cieku

Podstawy hydrologiczne:

 przepływy na podstawie których projektuje się przekroje 

poprzeczne rzeki, nazywa się 

miarodajnymi

 lub 

regulacyjnymi

● 

przepływy

 

na podstawie których sprawdza się warunki przepływu - 

kontrolnymi

     

Najczęściej spotykaną koncepcją jest regulowanie rzeki na 

podstawie z góry założonego przepływu charakterystycznego, np. 
na:

● 

przepływ średni roczny,

● 

najdłużej trwający w okresie wegetacji,

● 

najdłużej trwający w ciągu roku.

     Przepływy charakterystyczne przyjmowane jajko miarodajne lub 
kontrolne podczas projektowania regulacji rzek i w ochronie 
przeciwpowodziowej, można zaliczyć do jednej z trzech stref 
przepływów: strefy przepływów niskich, średnich i wysokich 
(maksymalnych). Niektóre przepływy charakterystyczne - zwane 
umownymi, trudno jest od razu zakwalifikować do którejś z tych 
stref. Dotyczy to :

● 

przepływów nienaruszalnych 

Q

n

,

● 

kształtujących koryto 

Q

kk

 - przepływy przy których koryta ulegają 

największym przeobrażeniom. 

background image

Przepływ nienaruszalny

      Jest to przepływ najniższy, który musi pozostać w korycie ze 
względu na zachowanie życia biologicznego i wymogi gospodarcze. 
W Polsce stosuje się następujące kryteria ich doboru:

● 

hydrobilologiczne - warunkujące zachowanie podstawowych 

siedlisk floty i fauny cieku,

● 

wędkarsko-rybackie - wynikające z potrzeb ichtiofauny, ochrony 

gatunków i rekreacji,

● 

ochrony przyrody - parki i rezerwaty przyrody,

● 

zachowania piękna krajobrazu terenów przybrzeżnych rzek,

● 

turystyczno-sportowe, zachowanie wymagań dla szlaków 

kajakowych i żeglarskich.

Strefa przepływów niskich

Najczęściej określa się przepływy:

● 

minimalne 

NQ

,

● 

średnie niskie 

SNQ

 - stosowane najczęściej, 

● 

najdłużej trwające: w roku 

NTQ

w okresie wegetacyjnym 

NTQ

weg

 

żeglugowym 

NTQ 

żeg.

Strefa przepływów średnich

     Zaliczamy do nich:

● 

średnie 

SQ 

- oblicza się bezpośrednio, dzieląc sumy przepływów 

dobowych przez liczbę dób, 
lub pośrednio z krzywych hydrologicznych (hydrogramy, krzywe sum  
czasów trwania, krzywe sumowe odpływu,

● 

zwyczajne 

ZQ

 - odpowiadające wartościom środkowym 

Q

50%

 

ciągu przepływów dobowych, lub można je też określić z sum czasów 
trwania.

Strefa przepływów wysokich

    W regulacji rzek przepływy maksymalne roczne 

WQ

 lub sezonowe 

przyjmowane są jako miarodajne oraz kontrolne o określonym 
prawdopodobieństwie wystąpienia.

background image

Ogólne zasady projektowania trasy regulacyjnej

     

Trasa regulacyjna 

rzeki to pas wody zawarty między sztucznymi 

brzegami uregulowanej rzeki. Linia biegnąca środkiem trasy nazywa 
się 

osią trasy regulacyjnej. Oś trasy 

składa się na przemian z łuków 

(kołowych lub koszowych) oraz odcinków prostych. Oś winna mieć 
linię płynną, czyli łuk w łuk odwrotny lub w odcinek prostej winien 
przechodzić stycznie. 
1. Trasa. Na małych ciekach nizinnych winna składać się z odcinków 
prostych  oraz łuków na zmianach ich kierunków. Dla zmniejszenia 
niebezpieczeństwa niszczenia brzegów wklęsłych, należy stosować 
następujące zasady projektowania łuków:

● 

kąt środkowy łuku 

α

 nie powinien przekroczyć 

≤ 60

o

  

wyjątkowo do 

90

o

● 

minimalny promień łuku winien spełniać warunki:     

R

min  

≥ 10 b   

lub     

R

min  

≥ (6-8) B  

gdzie: 

 b 

-

 

szerokość lustra wody średniej normalnej 

Q

2

            

B

 - szerokość lustra wody dużej dorocznej 

Q

3Z

2. Prędkość minimalna wody, aby uniknąć zamulania i zarastania: 

    Q

2    

- V

min

 nie mniej niż 0,15-0,20 m

.

s

-1

    Q

3Z

 - V

min

 nie mniej niż 0,4 m

.

s

-1

.

3. Prędkości maksymalna wody, aby uniknąć rozmywania 
    skarp: V

max

 dla skarp nieubezpieczonych 

                nie większa  niż 0,6-0,9 m

.

s

-1

4. Napełnienie koryta 

- zależy od wielkości zlewni:

       

przy zlewni      > 100 km

2

               h = 0,4-0,5 m,

       przy zlewni    20-100 km

2

               h = 0,3-0,4 m,

5. Spadki 

I

: najmniejsze dopuszczalne – 0,2-0,3 ‰   

                     najwłaściwsze - rowy większe zbliżone do 0,5 ‰, rowy 
mniejsze zbliżone do 1,0 ‰. 
             

Trasa 
cieku

background image

II. Projektowanie nowej trasy i przekroju 
poprzecznego cieku:

Przepływ regulacyjny

czyli przepływ, w oparciu o który projektujemy 

przekrój poprzeczny cieku. Dla regulacji rzek w celach melioracyjnych i 
rolniczych przyjmuje się następujące przepływy regulacyjne:
- dla ochrony przeciwpowodziowej 

 

 Q

- dla cieków przechodzących przez pola uprawne 

 Q

3Z 

 - napełnienie 

przepływem + zapas 0,5 m
- dla cieków przechodzących tereny zadarnione   

 Q

3L

 - napełnienie 

przepływem + zapas 0,3 m
- dla projektowania dna cieku  

 

 Q

– służy do ustalenia szerokości dna cieku

Spadek

:   

I = Δ h : L     Spadek 

wyrażamy w postaci: wartości 

bezwzględnych; w %; lub w ‰, 
                   gdzie: 

Δ h 

– różnica wysokości w m; między dwoma punktami (h

1

 

i h

2

)

                                  L

 – długość w m, po linii biegu cieku

My przyjmujemy: 
- przepływy regulacyjne: 

 

Q

3L 

 i 

 Q

2

  

 

- głębokość 

cieku 

t

c

  = min 1,5 m

- szerokość dna b = min 
0,4 m
- pochylenie skarp 1:1,5  

h

1

h

2

background image

Wyznaczanie parametrów regulacyjnych koryta 

rzeki

  Podstawą  do  projektowania są trzy  parametry: przepływy regulacyjne

 Q

3L

,

 

Q

2

 

i spadek cieku 

w

 

● 

Z  nomogramów  odczytujemy parametry  przekroju  koryta  rzeki:  głębokości 

t

3

t

2

   i szerokość dna 

b

1.  Kształt  przekroju  poprzecznego: 

trapez  równoramienny, 

nachylenie  skarp 

1:1,5

.

2.  Głębokość  koryta  rzeki  (

t

c

).  Głębokość  przyjmujemy  tak,  aby  można  było 

odprowadzić  wody  z  drenów  i  rowów  odwadniających  teren.  Orientacyjnie 
przyjmujemy 

t

większe  o  0,2-0,4  m  od  głębokości  zbieracza  (

t

z

)  lub  rowu 

(

t

r

)odprowadzającego  wodę,  zatem 

t

t

3

 

+  0,3  m.   

Minimalna  głębokość 

wynosi 1,5 m.
3.  Maksymalna  dopuszczalna  prędkość  wody  w  rzece  dla  gliny  piaszczystej 

V

max

 

= 0,9 m

.

s

-1

4.  Projektowanie  przekroju  poprzecznego  tak,  aby  pomieściły  się  wody 
przepływu regulacyjnego 

Q

3L

 z zapasem minimum 0,3 m do wierzchu terenu, z 

zachowaniem dopuszczalnej maksymalnej prędkości 

V

max

      Podstawą  projektowania  jest  wzór 

Q  =  F  ·  V

,

 

który  posłuży  nam  do 

sprawdzenia  poprawności  przyjętych  parametrów    koryta  rzeki.  Stąd  też 
kolejno sprawdzamy czy przyjęte wymiary przekroju poprzecznego (

t

3

t

2

 i 

b

będą  właściwe  do  pomieszczenia  przepływu 

Q

3L

Orientacyjnie  możemy  też 

wyliczyć

: F = Q

3L 

: V

max

5. Obliczenie przekroju poprzecznego rzeki 

F

    F = b·t + n·t

2   

[m

2

      

(wyliczenia prowadzimy osobno dla 

F

2

 i 

F

3

 , wstawiając 

odpowiednio wartości 

t

3

 

t

2

6. Obliczenie obwodu zwilżonego i promienia hydraulicznego:
           

U = b + 2t·√1

 

+ n

2         

[m]      (wyliczamy osobno 

U

2

 i 

U

3

 , wstawiając 

odpowiednio wartości 

t

2

 

t

3

)

                             

R

h

  =  F  :  U           

[m

2

]          (wyliczamy  osobno 

R

h2

  i 

R

h3

,  wstawiając 

odpowiednio wartości 

U

2

 

U

3

oraz 

F

2

 i 

F

3

)

7. Obliczenie współczynnika prędkości wg 

wzoru Bazina

                   

                   C

C

 

 = 87 : 1 + [

= 87 : 1 + [

γ

γ

 

 

: √

: √

R

R

h

h

]

]

, jak poprzednio wyliczamy osobno 

C

2

 i 

C

3

8.  Obliczenie  prędkości  dopuszczalnej 

V

  ze 

wzoru  Chezy 

(liczymy  dla  obu 

głębokości 

t

3

 

t

2

, czyli 

V

i  

V

2

)

                                          

V =  C√R

· I     

[m/s],         jak poprzednio osobno 

wyliczamy 

V

2

 i 

V

3

9.  Sprawdzenie  wzorem: 

Q  =  F  ·  V,     

wyliczając

  Q

3

  oraz 

Q

2

  i  porównując 

następnie  z

  Q

3L

 

Q

2

  obliczonymi    wzorami  Iszkowskiego.  Za  rozbieżność 

dopuszczalną  uznajemy  różnicę  do  10%.  Gdy  rozbieżność  jest  większa, 
wprowadzamy korektę pomniejszając lub powiększając 

t

3

 

lub 

t

2

.

10. Gdy spadek cieku

 I 

jest większy od dopuszczalnego (najlepiej do 0,5 ‰, a 

max.  do 1  ‰), projektujemy progi (od jednego  do  kilku), każdy o wysokości 
od 0,2 do 0,3 m. Ilość progów zależy od przyjętego spadku.

h

R

c

k

1

87

background image

               

               Wzór Bazina

Wzór Bazina

           

C

 - współczynnik oporu i tarcia - tarcie między innymi 

ma miejsce:

- o brzegi koryta,
- strugi wody między sobą,
- o powietrze.  

R

h

h

 – promień hydrauliczny,

γ

 – (gamma) –  współczynnik szorstkości koryta 

zależny od stanu  utrzymania i konserwacji koryta 
cieku.
         Przykładowe wartości współczynnika 

γ

:

  0,85 - koryto ziemne dobrze utrzymane,
  

1,30

 

- koryto ziemne w zwykłym (średnim) stanie 

utrzymania,

  1,75 - koryto ziemne źle utrzymane.

h

R

c

k

1

87

γ

C

background image

Przykład obliczenia przepływu 

Przykład obliczenia przepływu 

regulacyjnego WQ

regulacyjnego WQ 

    

Dane:       

 

t

t

max

max

= 1,7 m;          b

b

 = 14,0;          n

n

 = 1,5;         γ

γ 

= 1,3;          

  I

I

 = 0,0003

    

Obliczenia:

   

   

           

           

1)

1)   

U =  14 + 2

U =  14 + 2

 

 

 

 

1,7 

1,7 

 

 

 

 

1 + 1,5

1 + 1,5

2

2

                                2)   

                                2)   F

 =  14

 =  14

 ● 

 ● 

1,7 + 1,5 

1,7 + 1,5 

 

 

 

 

1,7

1,7

2

2

   (m

   (m

2

2

)

)

                  

                  

U = 14 + 3,4 

U = 14 + 3,4 

 

 

1,8                                                       F = 

1,8                                                       F = 

23,8 + 4,3

23,8 + 4,3

                  

                  

U = 14 + 6,12         

U = 14 + 6,12         

U = b + 2t·√1 + n

2

                     F = 28,1 

                     F = 28,1 

m

m

2

2

            F = b·t + n·t

2

                  

                  

U = 20,12 m

U = 20,12 m

           

           

3) R

3) R

h

h

 =  28,1 : 20,12                                               4)   C = 87 : 1 

 =  28,1 : 20,12                                               4)   C = 87 : 1 

+ [1,3 : 

+ [1,3 : 

1,4] -   

1,4] -   wz. Bazina

wz. Bazina

               

               

R

R

h

h

 = 1,40 m                                                                C = 87 : 

 = 1,40 m                                                                C = 87 : 

1 + [ 1,3 : 1,18]

1 + [ 1,3 : 1,18]

                                                                                                   

                                                                                                   

C = 87 : 

C = 87 : 

1 + [ 1,10] 

1 + [ 1,10] 

                                                      

                                                      

 R

 = F : U

                           C = 87 : 

                           C = 87 : 

2,1

2,1

                                                                                                   

                                                                                                   

C = 

C = 

41,42             

41,42             

C = 87 : 1 + [γ : √R

h

           

           

5) V = 41,42 

5) V = 41,42 

 

 

√ 

√ 

1,4 

1,4 

 

 

0,0003  - 

0,0003  - wz. Chezy           

wz. Chezy           

6)  

6)  Q

3

 = 28,1 

 = 28,1 

 

 

0,83

0,83

                

                

V = 41,42 

V = 41,42 

 

 

0,02                                                      

0,02                                                      Q

3

 = 23,3 

 = 23,3 

m

m

3

3

·

·

s

s

-

-

1               

1               

Q = F 

· V

 

                

                

V = 0,83 

V = 0,83 

m

m

·

·

s

s

-1

-1

               

               

V = C√R

· I

     

     

Analogicznie obliczamy przepływ regulacyjny 

Analogicznie obliczamy przepływ regulacyjny 

Q

3

, podstawiając 

, podstawiając 

     

     Dane:      

Dane:      

t

t

= 1,15 m;           

b

b = 14;           

n

n = 1,5;         

γ

γ = 1,3;            

I

I = 0,0003

background image

Nomogram do projektowania przekroju poprzecznego cieku – dla 
małych cieków

background image

Nomogram do projektowania przekroju poprzecznego cieku – dla 
dużych cieków

background image

Wskazówki do projektowania przekroju 

poprzecznego cieku:

Aby ciek (np. rów) dobrze funkcjonował, należy 
zaprojektować 
 odpowiednie:

nachylenie skarp 

(ścianek bocznych rowu),

szerokość dna 

- dostosowaną do objętości 

odprowadzanej wody 

Q

.

Nachylenie skarp 

– stosunek głębokości rowu do 

rzutu skarpy na płaszczyznę poziomą. Nachylenie 
skarpy zależy od odporności gleby na 
rozmywanie. Rowy o łagodniejszym nachyleniu są 
trwalsze i łatwiejsze do konserwacji (głównie 
wykaszania skarp), ale zajmują większą 
powierzchnię.
 

background image
background image

Przekrój poprzeczny 

cieku

Skala 1 : 20 do 1 : 50


Document Outline