VIZP Vodohospodářské inženýrství VIZP –
Vodohospodářské inženýrství
a životní prostředí
a životní prostředí
Přednáška č 2
Přednáška č.2
– Základy hydrologie
Základy hydrologie
9Obsah hydrologie, základní pracovní metody
9Ob
h h d l i ákl d í
í
t d
9Bilance oběhu vody v přírodě
y p
9Měření a vyhodnocení hydrologických veličin
9
9Extrémní hydrologické jevy, předpovědi
é í h d l i ké j
ř d ědi
Obsah hydrologie
Hydrologie je věda, která se zabývá poznáním zákonů výskytu a je věda která se zabývá poznáním zákonů výskytu a
oběhu vody v přírodě.
Inženýrská hydrologie
ž ý ká h d l i se zabývá se charakteristikami bý á
h k i ik i
hydrologického režimu vodních objektů a poskytuje je pro potřebu projekce provozu i údržby vodohospodářských děl a
potřebu projekce, provozu i údržby vodohospodářských děl a stavební činnosti obecně. Součástí jsou 9 H
Hydrometrie
d
t i – věnuje se návrhu vhodných přístrojů, metodám ě j
á h h d ý h ří t jů
t dá
měření samotnému měření.
9 Hydrografie – zabývá se pozorováním, shromažďováním, klasifikací, tříděním a zpracováním získaného materiálu.
Úzký vztah s dalšími vědními obory, zejména s meteorologií, klimatologií, pedologií, geologií, hydrogeologií a hydraulikou, dále a agrotechnikou, lesním hospodářstvím, biologií a chemií vody …
Historický vývoj hydrologie
9 1650 1650 – Perreault ‐ odhad průtoku řeky Seiny
odhad průtoku řeky Seiny
9 1775 – Chezy – výpočet střední rychlosti vody v korytě
9 1800 – 1900 – zahájení období počátků systematického pozorování, měření a vyhodnocení hydrologických veličin
9 1850 – Woltmann – vynález hydrometrické vrtule
9 1875 ‐ zřízena Hydrologická komise Království českého
9 1900 – 1930 – hydrologie se stává samostatnou vědou
9 1930 – 1950 – výrazný rozvoj inženýrské hydrologie
y
g ý
(
)
9 1954 – založen Hydrometeorologický ústav (dnes ČHMÚ)
9 Současnost – rozmach matematického modelování
Pracovní metody v hydrologii Statistické pravděpodobnostní metody
Statistické, pravděpodobnostní metody
9 Vycházejí z pravděpodobnostního charakteru výskytu j d li ý h j ů hl di k dl h d béh ý j
jednotlivých jevů z hlediska dlouhodobého vývoje. Donedávna dá
měly dominantní uplatnění v hydrologii.
Deterministické, genetické metody
9 Snaží se formulovat fyzikální podstatu jednotlivých jevů. V poslední době nebývalý rozvoj matematického modelování. 9 Modely pro simulaci vývoje počasí, prostorového a časového ,
p
rozložení srážek, srážko‐odtokového procesu.
Základy pravděpodobnosti a statistiky v hydrologii
Prvotní údaje – hlášení pozorovatelů nebo záznamy z moderních přístrojů pro měření hydrologických veličin
přístrojů pro měření hydrologických veličin
Roztřídění podle shodného znaku (vodní stav, průtok …) Statistické soubory – množiny jednotlivých statistických proměnných Zpracování statistických souborů
statistických souborů
Charakteristiky souboru – podávají základní informace o některých vlastnostech statistických souborů (průměr, směrodatná odchylka, l
h
i i ký h
b ů( ů ě
ě d á d h lk
součinitel variace, součinitel asymetrie).
Čáry překročení – zásadní pracovní nástroj v hydrologii – poskytují informaci kolikrát nebo po jakou dobu byla určitá veličina v posuzovaném období dosažena nebo překročena é
bd bí d ž
b ř k č
Empirická čára překročení
Možnosti sestavení
9 Čára překročení je součtovou čarou k histogramu četnosti
čarou k histogramu četnosti
9 V případě spojitého průběhu čáry jevu součtem dob trvání
9 V případě sloupcovitého zobrazení čáry jevu seřazením sloupců
yj
p dle velikosti v klesajícím pořadí
9 Výpočtem
Výpočtem pravděpodobnosti po pravděpodobnosti po
seřazení souboru o n prvcích dle velikosti v klesajícím pořadí , m
j
p
, jje pak pořadové číslo.
m − 0.3
p=
n + 0.4
Teoretická čára překročení
K sestavení teoretické čáry překročení se využívá
K
sestavení teoretické čáry překročení se využívá některá z křivek některá z křivek
rozdělní pravděpodobnosti.
Pro hydrologické jevy je charakteristická asymetrie výskytu, h d l i ké j
j h k i i ká
i ýk
nejčastěji se využívá křivka Pearson III, její průběh závisí na průměru x součiniteli asymetrie Cs a součiniteli variace průměru , součiniteli asymetrie a součiniteli variace Cv. Cíle teoretických
Cíl
i ký h čar překročení –
č
ř k č í vyhlazení průběhu čáry hl
í ůběh čá
překročení, extrapolace do oblasti extrémních pravděpodobností
Bilance vody v přírodě
Základní bilanční rovnice Hs = H
Základní bilanční rovnice = Ho+ H
+ Hv ± R [m3] nebo [mm vod.sloupce]
nebo [mm vod sloupce]
9 Hs – množství srážek spadlých na povodí
9 Ho – množství vody odteklé z povodí závěrným profilem množství voda odpařené z povrchu povodí
9 Hv – množství voda odpařené z povrchu povodí
9 R – změna zásob vody v povodí
Srážky
Členění srážek dle různých kritérií
srážek dle různých kritérií
9 dle způsobu a místa vzniku – vertikální (vznik v atmosféře), h i
horizontální
ál í (kondenzace na povrchu země)
(k d
h
ě)
9 dle skupenství – srážky kapalné (déšť, rosa), pevné (sníh, kroupy)
Základní parametry
Základní parametry
9 Srážková výška Hs – výška vodního sloupce, která by se vytvořila z deště na dané ploše bez odtoku výparu či vsaku
vytvořila z deště na dané ploše bez odtoku, výparu či vsaku.
9 Srážkový úhrn – množství srážek vypadlé v bodě (srážkoměrné
stanici) vyjádřené rovněž jako výška vodní sloupce.
y – velikost srážkové výšky za časový interval
ý y
ý
9 Intenzita srážky i
Δ Hs
i=
Δt
Druhy dešťů
Základní druhy kapalných vertikálních srážek
9 Deště z tepla ‐ ohřátí vlhkého vzduchu o zemský povrch ⇒ výstup do vyšších vrstev ⇒ dynamické ochlazení ⇒ dosažení rosného bodu ⇒ vysrážení kapek či ledových krystalů (velké intenzity srážek menší zasažené plochy přívalové lijáky).
srážek, menší zasažené plochy ‐
přívalové lijáky)
9 Deště orografické ‐ výstup vlhkých vzdušných hmot vynucené reliéfem území (vytrvalé deště s menší intenzitou).
liéf
ú
í(
lé d š ě
ší i
i )
9 Deště cyklonální – doprovázejí postupující tlakovou depresi, malé hluboké cyklony (průtrže mračen velké intenzity), ploché cyklony (vytrvalé deště zasahující velká území s nižšími intenzitami).
Měření srážek
Standardní parametry srážkoměrných přístrojů – záchytná kruhová plocha 500 cm2 (D=252.3 mm), výška hrany 1 m nad terénem.
Měření kapalných srážek
9 Srážkoměr Srážkoměr – nutný pozorovatel
nutný pozorovatel
9 Ombrograf – kontinuální měření srážek
9 Totalizátor – měření v nepřístupných místech
9 Radarové snímkování povrchu země
Radarové snímkování povrchu země
Měření sněhových srážek
9 Sněhoměrná lať
9 Váhový sněhoměr
Váh ý ěh ě
Časové rozdělení srážek
Denní chod srážek
chod srážek (u nás často ranní a odpolední hodiny)
(u nás často ranní a odpolední hodiny)
Roční chod srážek
9 rovníkový typ – 2 maxima (IV a XI), 2 minima (VIII a I)
9 monzunový typ ‐
ýt
velké srážky v létě, malé v zimě
lké ážk létě
lé i ě
9 subtropický typ – srážky v zimě, suché léto
9 Přímořské oblasti mírných zeměpisných šířek – rovnoměrný chod
Extrémní dlouhodobé roční úhrny srážek
9 Minima – u nás 400 mm (Slaný, Dyje‐Svratka), svět 1 mm (Chile)
ý yj
9 Maxima – u nás 1700 mm (severní hory), v Evropě 4000m (sever Anglie část Švédska) svět 16000mm (jižní svahy Himaláje)
Anglie, část Švédska), svět 16000mm (jižní svahy Himaláje).
Srážková sezona – měsíční srážkové > dlouhodobý průměr Prostorové rozdělení srážek
Izohyety ‐ čáry spojující na mapě místa se stejnými srážkovými úhrny, mohou být vztaženy k různým časovým obdobím (průměrný rok konkrétní rok měsíc jednotlivý déšť)
rok, konkrétní rok, měsíc, jednotlivý déšť).
Průměrná srážka na povodí – stanovení na základě srážkových úhrnů ze stanic v posuzovaném povodí
úhrnů ze stanic v posuzovaném povodí
9 Metoda aritmetického průměru ‐ aritmetický průměr srážkových úhrnu ze všech stanic na povodí.
ážk ý h úh
š h t i
dí
9 Metoda čtvercové sítě – Aritmetický průměr z úhrnů pro každý čtverec (kde není stanice – lineární interpolace)
9 Metoda polygonů (metoda Thiessena
p yg
(
)) – každé stanici je j
přisouzena plocha polygonu tvořené osami souměrnosti na spojnicí jednotlivých stanic 9 Metody založené na vyhodnocení izohyet
Odtok – základní pojmy
Nevsáknutá část srážky a vyvěrající voda z podzemních pramenů Nevsáknutá
část srážky a vyvěrající voda z podzemních pramenů
stékají působením gravitace ve směru největšího sklonu.
Plošný odtok ý
⇒p
postupné soustřeďování (ron, stružky, potoky, řeky).
p
( ,
y, p
y,
y)
Říční soustava – hlavní tok se svými přítoky.
Říční síť – systém říčních soustav.
Charakteristiky toku
y
Pramen – počátek toku – pramen soustředěný či nesoustředěný
Ústí toku – místo, kde se tok vlévá do jiného toku
Délka toku L élk
k – vzdálenost od pramene k ústí, měřeno osou koryta
dál
d
k ú í ěř
k
Staničení profilu – vzdálenost daného profilu od ústí, měřeno osou
Stupeň vývinu toku – d/L, d je délka přímé spojnice pramene a ústí
Stupeň vývinu toku –
d je délka přímé spojnice pramene a ústí
Schematický podélný profil
Faktory ovlivňující odtok
F ikál ě
Fyzikálně geografické vlastnosti povodí
fi ké l t ti
dí
9 zeměpisná poloha ⇒ klimatické poměry
9 orografické poměry ⇒ výškové a sklonitostní poměry
9 geologické a půdní poměry 9 rostlinná pokrývka
p ý
Velikost a tvar povodí Zpracování údajů o odtoku
Průtok Q
P
ůt k Q – objem vody proteklý
bj
d
t klý profilem za jednotku času [m
fil
j d tk č
[ 3.s‐11]
Qd, Qm, Qr, Qa – průměrný denní, průměrný měsíční, průměrný roční a dlouhodobý průměrný průtok [m3.ss‐1]
roční a dlouhodobý průměrný průtok [m
Proteklé množství O – objem vody proteklý profilem za delší časové období [zpravidla tisících m3]
Typické charakteristiky odtoku
9 Denní odtok Od = 86400 ⋅ Qd
9 Měsíční odtok (n‐počet dní v měsíci) ( p
) Om = 86400 ⋅ n ⋅ Qm
9 Roční odtok Or = 31.536 ⋅ 103 ⋅ Qr
9 Průměrný roční odtok Oa = 31.536 ⋅ 103 ⋅Qa
Specifický odtok
Specifický
odtok – průtok vztažený na jednotku plochy povodí
průtok vztažený na jednotku plochy povodí
Q
[m3 ⋅ s −1 ⋅ km−2 ]
q=
S
Měření průtoku
Stanovení průtoku vody – zásadní problém hydrologie.
Drobné prameny ‐
p
y lze měřit proteklý
p
ý objem za čas (podstata j
(p
Q=V/t
Q
/ )).
Vodní toky – hydrometrování vyhodnocení průtoku ze složitého rychlostního pole (doba měření – desítky minut) rychlostního pole (doba měření desítky minut)
9 Rozdělení rychlostí po svislici
9 Rozdělení rychlostí po šířce profilu
dQ = u ⋅ cos α ⋅ dS
⇒
S
hB
0
00
Q = ∫ u ⋅ dS = ∫ ∫ u ⋅ dS
Metody numerického řešení
9 Metoda Harlachera (na základě svisl. rychlostí)
9 Metoda Culmanna
M d C l
(
(na základě izotach)
ákl dě i
h)
Hydrometrování
Klasický přístup Klasický
přístup – využití hydrometrické vrtule pro změření bodové využití hydrometrické vrtule pro změření bodové
ui = α ⋅ ns + β ns – specifické otáčky vrtule)
rychlosti proudění (
Výpočet průměrné svislicové rychlosti dle počtu měření ve svislici Výpočet
průměrné svislicové rychlosti dle počtu měření ve svislici
1
9 5 bodová metoda v i = ⋅ (up + 3 ⋅ u0.8 + 3 ⋅ u0.4 + 2 ⋅ u0.2 + ud )
10
9 3 bodová metoda v i = 1 ⋅ (u0.8 + 2 ⋅ u0.4 + u0.2 )
4
9 1 bodová metoda
1b d á
d
v i = u0.4
Výpočet průtoku v pásu šířky Bi podél svislice i
s průměrnou
ů ě
hl bk Hi
hloubkou Q i = B i ⋅ Hi ⋅ v i
Výpočet celkového průtoku v případě měření v
n
n svislicích
Q = ∑Qi
1
y
p p
ultrazvukového
Nové možnosti měření rychlostního pole pomocí systému ADCP založeném na Dopplerově principu. Vodní stavy
Vodní stav – určení polohy hladiny v profilu vodního toku
Vodoměrná (limnigrafická) stanice – určená k měření vodních stavů
Vodoměrná (limnigrafická) stanice určená k měření vodních stavů
Přístroje a objekty k určené k měření vodních stavů 9 Vodočetná lať svislá nebo šikmá, vyznačené pásky znamenající zpravidla 2 cm výšky vodního sloupce, čtení vztaženo ke zvolené 0 vodočtu, nutný pozorovatel.
9 Klasické limnigrafy –
g y šachta spojená přívodním potrubím s p j
p
p
korytem, užití principu spojených nádob, měření hladiny plovákem, záznam na mm papír
9 Nové přístroje – zejména ultrazvukové, tlakové a bublinkové měřiče polohy hladiny, běžný dálkový přenos dat
p
y
y
ý
ýp
Měrná křivka
Měrná křivka vyjadřuje závislost průtoku na vodním stavu Q=f(H)
Základem hydrometrování
y
v profilu pro různé vodní stavy
p
p
y
Hydrometrování
Extrapolace křivky
Interpolace křivky pro běžné průtoky
600
Vodní stav [ccm]
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
Průtok [m 3 .s -1 ]
9 Měrná křivka vodoměrné stanice 9 Kontinuální záznam vodních stavů stanice
Kontinuální průběh průtoku Q v čase
Minimální průtoky
Výskyt minimálních průtoků v případě dlouhodobého období bez povrchového odtoku
Důležité charakteristiky 9 Roční minimum
Roční minim m
9 Absolutní minimum
9 Doba trvání minimálních průtoků
9 Výtoková čára
ý k á čá
Q t = Q 0 ⋅ e − α⋅ t
Q0 – počáteční průtok, Qt průtok v čase t
Čára překročení m‐denních průtoků Charakterizuje
Ch
kt i j pravděpodobnost výskytu běžných a minimálních dě d b t ý k t běž ý h
i i ál í h
průtoků. Stanovuje ze statistického souboru průměrných denních průtoků za dlouhodobé období
denních průtoků za dlouhodobé období.
Zpracovávané hodnoty čáry překročení m‐denních průtoků poskytovaných výhradně ČHMÚ:
poskytovaných výhradně ČHMÚ:
Q30d, Q60d, Q90d, Q120d, Q150d, Q210d, Q240d, Q270d, Q300d, Q330d, Q355d, Q364d
Definice jednotlivých veličin :
Q330d („330‐ti denní průtok“)–
průměrný denní průtok, který j dl h d bé
je v dlouhodobém období bd bí
dosažen nebo překročen po 330 dní v roce.
330 dní v roce.
Maximální průtoky
Maximální průtoky jsou vyvolány významnými srážkami, kdy se voda již nestačí infiltrovat do půdy (is>ii, ii je intenzita infiltrace).
S růstem Hs klesá vliv ii na velikost povrchového odtoku. Maximální výška infiltrované vody za významných srážek Hi ≈ 60 ÷ 100 mm
Důsledkem extrémních srážek – průtokové povodně charakterizované hydrogramem
y g
průtoku Q=f(t).
p
Charakteristické veličiny povodňové vlny 9 Kulminační průtok 9 Doba trvání vzestupné větve
Doba trvání vzestupné větve
9 Doba trvání sestupné větve
9 Objem povodňové vlny
Čára překročení N‐letých průtoků Charakterizuje
Ch
kt i j pravděpodobnost výskytu extrémní průtoků. dě d b t ý k t
t é í ůt ků
Stanovuje ze statistického souboru maximálních průtoků v každém roce pozorování případně doplněného o maximální
každém roce pozorování, případně doplněného o maximální průtoky dalších mimořádných povodní v roce.
Zpracovávané hodnoty čáry překročení m‐denních průtoků Zpracovávané
hodnoty čáry překročení m‐denních průtoků
poskytovaných výhradně ČHMÚ:
Q1, Q2, Q5, Q10, Q20, Q50, Q100
3000
Q100 =2674
2500
Q [m3 .s-1 ]
2000
1500
1000
Q2 =828
500
p=0 01
p=0.01
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
p [-]
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Definice jednotlivých veličin
Q50 („50‐ti letý průtok“)–
maximální průtok dosažený nebo překročený v b ř k č ý
dlouhodobém období s pravděpodobností jednou za
pravděpodobností jednou za 50 let.
Hydrologické předpovědi
Hydrologické předpovědi netermínované
9 Neudává
Neudává se datum ani čas výskytu jevu, pouze pravděpodobnost se datum ani čas výskytu jevu pouze pravděpodobnost
výskytu (například N‐leté a m‐denní průtoky)
H drologické předpo ědi termínované
Hydrologické předpovědi termíno ané
9 Krátkodobé předpovědi – v minulosti využití metod tendencí nebo postupových dob, nyní využití matematického modelování
9 Sezónní
Sezónní předpovědi
předpovědi – předpověď odtoku z tajícího sněhu na předpověď odtoku z tajícího sněhu na
počátku jarního období, předpověď průtoků při dlouhodobém období sucha
Závěr
9 Základní pracovní metody hydrologie
Vodní bilance
9 Vodní bilance
9 Měření a vyhodnocení srážek vodních stavů a průtoků
9 Extrémní průtoky, čáry překročení m‐denních a N‐letých průtoků
9 Základní možnosti hydrologických předpovědí
Doporučené odkazy pro hlubší studium Kemel: Klimatologie, meteorologie a hydrologie, ČVUT v Praze Fakulta stavební
ČVUT v Praze, Fakulta stavební
http://hydraulika.fsv.cvut.cz/Hydrology/vyuka/HYKV/default.htm
Download

– Základy hydrologie Základy hydrologie