Hydrologie
Prof. Ing. Miloš Starý, CSc.
Literatura
Hydrologie pro kombinované studium
Hydrologie. Metodické návody do cvičení
1
Přednášky
• Úvod, význam, základní pojmy
• Klimatičtí činitelé (srážky, vlhkost ovzduší)
• Geografičtí činitelé povodí
• Měření vodních stavů a průtoků
• Zpracování hydrologických dat
• Časové řady v hydrologii
• Režim vodních toků a extrémní průtoky
• Vodní nádrže
2
Teoretické vědní obory - V
• Hydor – voda
• Logos – výskyt
• Aulos - žlab
• Hydor + logos
• Hydor + aulos
hydrologie
hydraulika
3
Hydrologie
Věda, která se systematicky a vlastními
prostředky zabývá zákonitostmi výskytu a
oběhu vody v přírodě
Využití
• Vodní stavby, hydrotechnika
• Krajinné inženýrství
• Zdravotní inženýrství
• Dále stavebnictví a jiné rezorty
4
Vývoj hydrologie
• Starověké civilizace
• Do 15 stol. - intuice a dohady
• Do 19. stol. – pozorování, měření,
experimenty, modernizace, matematizace
• Od r.1900 jako samostatný vědní obor
(Pitotova trubice, Chézyho rovnice,
Hydrometrická vrtule
5
Styčné vědní obory
•
•
•
•
Meteorologie a klimatologie
Pedologie a geologie
Agrotechnika
Hydraulika
Využívá vědní obory
• Matematiku, teorii pravděpodobnosti a
statistiku, fyziku, chemii a další
6
Dělení
Hydrologie oceánů
Hydrologie pevniny
• Hydrometeorologie
• Potamologie
• Limnologie
• Glaciologie
• Hydropedologie
7
Složky hydrologie
Hydrometrie
Hydrografie
•
•
Stochastická hydrologie
Kinematická hydrologie
Inženýrská hydrologie
Staniční síť
Technologická linka (data režimová a operativní)
8
Kinematická vlnová aproximace
Rovnice Saint Venanta
Q A

q
x t
1  Q
 Q
   

gA  t
x  A
 y

 
 s0 
gR
 x
Kinematická vlna
Difuzní vlna
Kvazi-dynamická vlna
Dynamická vlna
9
Oblasti platností typů vln dle K a Fr
 .Q 2 .B
Fr 
2
3
g.S
L.S .g
K  2  10
v
K. Beven - M. Kirby: Channel Network Hydrology. John Wiley &
Sons, UK, 1993, str.108
10
Hydrosféra
70,5 % zemského povrchu
1,4 . 109 km3 – celkový objem vody
1,30 . 109 km3 – moře a oceány
2,4 . 107 km3 – ledovce
2,3 . 107 km3 – podzemní voda
1,3 . 104 km3 – atmosféra (0,001%)
2,1 . 103 km3 – vodní toky
11
Koloběh vody na zemi
Vo = So + P
Vp = Sp – P
Vo + Vp = So + Sp
V=S
12
Povodí,
vodní útvar
13
Orografické a hydrologické povodí
14
Srážkoodtokový proces v povodí
15
Srážkoodtokový proces v povodí
16
SOP - evoluční problém
Počáteční podmínky
– veličiny popisující stav vody v povodí v čase t = 0
Okrajové podmínky
– stacionární (přítok vody z rozvodnice je nulový)
– nestacionární (srážka nad povodím i(x, y, t))
17
Činitelé ovlivňující SOP
Klimatičtí činitelé
srážky, výpar, vlhkost ovzduší, teplota, tlak, vítr …
Geografičtí činitelé
fyzikálně geografičtí, geologické vlastnosti,
vegetační pokryv, říční síť
18
Modelování SOP
Složité modely – hydraulika + hydrologie
Hydrologické modely – značná zjednodušení
Základní bilanční rovnice - extrémní zjednodušení !!!
Ho  H s  Hv
Ho  H s  Hv  H R
19
Klimatičtí činitelé
20
Meteorologie a klimatologie
Meteorologie
• jevy probíhající v zemské atmosféře
• momentální stav atmosféry
• předpovědi počasí
Klimatologie
• nauka o podnebí
• klasifikace podnebí a vymezování
klimatických oblastí
• studium kolísání a změn klimatu
21
Ovzdušné srážky
22
Srážky
Podle skupenství - kapalné, pevné
Podle směru - vertikální, horizontální
Popis: úhrn, intenzita, vydatnost
• Pozorování srážek (staniční síť)
- klimatické stanice (20x20m, zatrav., oploc., ne mikroklima a vod.pl.)
základní (7h, 14h, 21h + aut. reg.), doplňkové (7h)
- srážkoměrné stanice
• Homogenita měření (79 km2 )
• Standardizace měření
23
Měření srážek - klasika
Ombrometr, ombrograf, totalizátor
24
Měření srážek - operativa
Impulsní srážkoměry
Váhové srážkoměry
25
Měření srážek
Meteorologický radar
26
Měření srážek
Meteorologická družice - METEOSAT
27
Předpovědi srážek
Lace
Orografie v ČR
Aladin
28
Srážky
Plošné rozdělení srážek (úhrny za rok)
ve světě: 2000 mm- rovník, 500 mm – tropy a subtropy, 500-1000 mm mírný pás, 300 mm póly
u nás: průměr 740 mm, 400 mm Ţatecko, 1000 mm a více hory
Časové rozdělení srážek
roční chod: rovník- 2 max. 2 min, subtropy- max. zima, min. léto, mírný- rovnom.u moře, vnitroz. max. léto, min. zima
denní chod (mírný pás): pobřeží- max. den, min. noc, pevnina- 2 max. a 2 min.
Metody stanovení průměrných Hs v povodí
aritmetický průměr
Hortonova (Thiessenova) polygonální metoda
hyetografická křivka
Prověření homogenity Hs
Podvojná součtová čára
29
Deště
Srážky - kapalné, vertikální
• Orografické - přechod oblačnosti přes horské
masívy
• Regionální - malá intenzita, velká zasažená
plocha, dlouhá doba trvání – povodně ve velkých
povodích
• Přívalové - velká intenzita, malá zasažená
plocha, krátká doba trvání – povodně v malých
povodích. Klasifikace Hellman, Wussov
30
Deště
Ombrogram, čára náhradních intenzit (cvič.)
Intenzita
A
i
C
  B 
[mm.h-1]
_
Periodicita
m
p
M
Průměrná doba
1 M
N


_
opakování
m
[počet roků]
p
31
Deště - Truplovy diagramy (i, , p )
Odvození náhradní intenzity deště iN v malém povodí – mapa α, souhrn SS (i1 , i20), mapa i1
Vztah mezi intenzitou a zasaţenou plochouFruhling, Specht
32
Sněhová pokrývka
Vodní hodnota
Specifická
vodní hodnota
VVO

.
VVS
Objemová
hmotnost
mSN

VSN
Měření: sněhoměrná lať a sněhoměr, sněhoměrné snímky, družice
Tání sněhové pokrývky
Metoda stupeň-den
HV  H SN .
Ti  TP ,i 
HT  45,72 . k . D
T

T
0,7

H  H p ,i 
100
i
n
33
Vlhkost ovzduší
34
Vlhkost ovzduší
Absolutní vlhkost -
, e
- koresponduje s teplotou
e
Relativní vlhkost - r  100
E
Maximální vlhkost - max , E
%
Sytostní doplněk – d
Vlhkoměry
• psychrometry
• vlasové
• kondenzační
35
Výpar
36
Výpar
• Výpar z vodní hladiny
• Výpar z holé půdy
• Výpar z rostlin (z povrchu, z pórů transpirace, evapotranspirace)
• Klimatický výpar
37
Výpar z vodní hladiny
V průměru 1 – 4 mm za den
V průměru 200 – 800 mm za rok
Šermerův výparoměr
38
Výpar z půdy
Lyzimetr Popova
39
Geografičtí činitelé
40
Geografičtí činitelé povodí
• Fyzikálně geometrické vlastnosti
(poloha, velikost, tvar, sklonitost)
• Geologické vlastnosti (rychlost vsaku,
drsnost, proudění v nenasycené a nasycené
zóně)
• Vegetační pokryv (rychlost povrchového
odtoku, infiltrace)
• Říční síť (rychlost odtoku vody z povodí)
41
Říční síť
Řády toků
42
Říční síť
Konvexní a konkávní břeh
43
Říční síť
Konvexní a konkávní břeh
44
Říční síť
45
Vliv protáhlého a vějířovitého povodí na průběh odtoku
Měření vodních stavů
a průtoků
46
Vodní stavy - měření
Limnigrafická stanice
47
Bodové rychlosti - měření
Hydrometrická vrtule
48
Stanovení průtoku měrným profilem
Q   u( x, y) d x d y   d Q
A
A
Harlacher
B
B
0
0
Q   h v s d B   As d B
49
Měrná křivka průtoku
Qabhch
2
Q  a h  b
c
50
Zpracování hydrologických dat
51
Zpracování hydrologických dat
Q
DQ, Q, CV,Q
CS,Q
EQ
Pravděpodobnostní křivky
Statistické charakteristiky
52
Pravděpodobnostní funkce
A
F  A  Px  A   f x dx
a
A
P A  Px  A   f x dx
b
F  A  P A  1
53
Výběrové charakteristiky - metoda momentů
b
 x   x    x  m1 x   x f x dx
a
----------------------------
b
Dx  Dx   Dx  M 2 x   m2 x   x    x   k  f x dx
2
a
 x   x    x  Dx
Cv, x 
----------------------------
Cs,x 
x
x
M 3 x 
 3 x 
b
M 3 x   m3 x   x    x   k  f x  dx
3
a
----------------------------
Ex 
M 4 x 
3
4
 x 
b
M 4 x   m4 x   x    x   k  f x  dx
4
a
54
Statistické charakteristiky
Výběrová
charakteristika náhodného
výběru
x
- aritmetický průměr
Odpovídající parametr
základního souboru
Statistická charakteristika
Počet relizací
x
20
Dx, x, Cv,x
40
Cs,x
80
Ex
300
M5[x]
1200
x
sx – směrodatná odchylka
x
D*x
Dx
C*v,x
Cv,x
C*s,x
Cs,x
E*x
Ex
55
Výběrové pravděpodobnostní křivky - konstrukce
i
xmin
xmax
m
m
n
k
F * x    p
1
P * x    p
i
x
1
1
xmax
2
2
…
…
…
…
k
k
x
p
i 1
i k
p
i  0,3
n  0,4
xmin
56
Výběrové charakteristiky - metoda momentů
n
x
n
 xi
sx 
i 1
n
n
Cv, x
sx


x
2


k

x
 i
i 1
n 1
2


x

x
 i
i 1
n 1
xi
ki 
x
n
Cs,x 
3


 ki  1
i 1
n  1  Cv3, x
n
M4
E  4 3
sx
*
x
M4 
4


x

x
 i
i 1
n
Výběrové charakteristiky - metoda kvantilů
x  x  2x
S
5
95
x x
5
95
50
x 5  x 95
sx 
 5   95
x  x  s x   50
50
C
*
v, x
sx

x
Aproximace empirických rozdělení
pravděpodobnosti teoretickými
Normální
Log-normální
N(  x ,  x )
N  y ,  y 
f  y   ln x
f x  
1
 x 2
e
1  xx
 
2  x



2
f  y   log x
f  y   log
xa
bx
Aproximace empirických rozdělení
pravděpodobnosti teoretickými
Pearson III
f x  

2
e
 
  x  2

 x
  
2
2
x 
    x    x   x
2
 1
e


 x
x
Foster - Rybkin

2
C s x 
Časové řady v hydrologii
Průtokové řady
∆t = 1 hodina …………………..Qh
∆t = 1 den ……….……………..Qd
∆t = 1 měsíc …………………...Qm
∆t = 1 rok …………..…………..Qr
∆t = celá délka měř. období ….Qa
řada prům. hodinových průtoků
řada prům. denních průtoků
řada prům. měsíčních průtoků
řada prům. ročních průtoků
dlouhodobý průměrný průtok
62
Režim vodních toků
Průběh průtoku – Qd, Berounka/Křivoklát, 1937
63
Dekompozice průtokové řady
64
Průtoky v toku jako náhodné procesy (posloupnosti)
f(Q,t), F(Q,t), P(Q,t), (Q,t), D(Q,t), (Q,t), CV(Q,t), CS(Q,t), E(Q,t), r(,t).
Stacionární náhodný proces
Nestacionární náhodný proces
Kvazistacionární náhodný proces
Ergodický náhodný proces
65
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad
• Maximální délka
• Metoda momentů
• Prověřování homogenity
• Oprava extrémů
• Oprava vychýlení stat. char.
66
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad
• Maximální délka
• Metoda momentů
• Prověřování homogenity
• Oprava extrémů
• Oprava vychýlení stat. char.
67
Rozdělení průtokových řad
Umělá (syntetická)
Průtoková řada
Měřená
Reálná
Odvozená
68
Hydrologické poměry
v ČR
69
Roční úhrn srážek na území ČR v roce 2002
70
Roční úhrn srážek na území ČR v roce 2003
71
Vyhodnocení srážek
Normály ročních úhrnů
72
Dlouhodobý průměrný průtok Qa
Měření – střední hodnota
Bilanční rovnice
m
Ho  Hs  Hv
Qa 
Qa 
H o  Sp

H S  H v 

m
Sp ,
3
 s 1

m
 s 1
3

73
Odtokové poměry
H o ,a
Součinitel odtoku

Specifický odtok
Q
q
Sp
H s ,a
Specifické dlouhodobé průměrné odtoky - qa
74
Režim vodních toků
• Průtok přirozený: průtok vody v toku s přirozeným hydrologickým
režimem (neovlivněný např. vzdutím hladiny vlivem vodní stavby)
• Průtok ovlivněný: průtok vody v toku s ovlivněným hydrologickým
režimem
• Průtok setrvalý: průtok, který se po delší dobu výrazně nemění
• Průtok nalepšený: průtok záměrně zvětšený nad hodnotu přirozeného
průtoku, např.doplňováním vody do toku z nádrže
• Průtok průměrný: střední hodnota průtoku za uvažované období
• Maximální průtok Qmax : největší (kulminační) průtok povodňové
vlny v určitém období (den měsíc, rok, řada let)
• N-letý maximální průtok QN : největší (kulminační) průtok povodňové
vlny, který je dosažen nebo překročen v dlouhodobém průměru jednou
za N let. (Q1, Q2, Q5, Q10, Q20, Q50, Q100)
• Minimální průtok Qmin : nejmenší průměrný denní průtok v určeném
období (den měsíc, rok, řada let)
• N-letý minimální průtok QN,min : nejmenší průměrný denní průtok, který je
dosažen nebo nedostoupen průměrně jednou za N let
75
Klasifikace vodnosti jednotlivých roků
Podklad – čára překročení průměrných ročních průtoků
Pravděpodobnost překročení [%] Označní stupně vodnosti
1 ~ 10
MV mimořádně vodný
11 ~ 45
V vodný
46 ~ 55
N normální
56 ~ 89
S suchý
90 ~ 99
MS mimořádně suchý
76
Extrémní průtoky
Maximální průtoky
Hydrogram povodně
78
Maximální průtoky
p = 1- e-p’
p = 1- e-1/N
N
QN
p
0,01
0,02
0,05
0,10
0,18
0,39
0,63
p´
0,01
0,02
0,05
0,10
0,20
0,50
1,00
N
100
50
20
10
5
2
1
Stanovení N-letých maximálních průtoků
79
Tvar návrhového hydrogramu povodně
Typický tvar
80
Metoda izochron
t
V1 = H1.U1
V = H(U1 + U2 + U3 + U4)
V2 = H2.U1 + H1.U2
Q = H/tU1 + U2 + U3 + U4)
V3=H3.U1 + H2.U2 + H1.U3
QN = iN . SP .
V4 = H4.U1 + H3.U2 + H2.U3 + H1.U4
81
Maximální průtoky – malá povodí
QN = iN . S p . 
1
p' 
N
N
Tab.
iN
p’
k
Intenzitní vzorec
82
Součinitelé odtoků 
Sklonitost území
Způsob zastavění a druh pozemku,
příp. druh úpravy povrchu
Číslo
do 1%
1-5% nad 5%
I
Zastavěné plochy ( střechy)
0,90
0,90
0,90
II
Asfaltové a betonové vozovky, dlaţby se zálivkou
0,70
0,80
0,90
III
Obyčejné dlaţby (pískové spáry)
0,50
0,60
0,70
IV
Štěrkové silnice, dlaţba ze štětového kamene
0,30
0,40
0,50
V
Nezastavěné plochy
0,20
0,25
0,30
VI
Hřbitovy, sady, hřiště
0,10
0,15
0,20
VII
zelené pásy, pole, louky
0,05
0,10
0,15
VIII
Lesy
0,00
0,05
0,10
Poznámka:
V tabulce uvedení odtokoví součinitelé mají platnost pro půdu střední propustnosti.
U propustné půdy (písek) se zmenšuje o 10%, při nepropustné (jíl, skála) se zvyšuje o 10%.
83
Maximální průtoky – malá povodí
Exponenciální vzorce
q100
A
 n
Sp
Q100
A
A
 n S p  n1
Sp
Sp
QN = Q100 N
CN - křivky (DesQ)
(H S  I a ) 2
Ho 
,
HS  Ia  A
Vo = Ho  SP
A =1000/CN – 10
potenciální maximální retenci povodí
Ia = 0,2 A
počáteční retence povodí v bezodtokové fázi
84
Minimální průtoky
Absolutní minimální průtok -
Qabs min
N-letý minimální průtok -
QN,min
Q20,min Q50,min Q100,min
m - denní vody -
Qmd
Q270d
Minimální zůstatkový průtok
Iszkowského vztah -
Analogie -
Q355d
Q355d
Qabs,min  0,2 . na . Qa
A
A
QaA
Q330
Q
d
50 min

K


x
x
Qax
Q330
Q
d
50 min
Q365d  Q10,min
Vodní nádrže
Vodní nádrže
dV = [ Q( t ) - O(V(t)) ] dt
dV
 Q(t )  O(V (t ))
dt
Základní rovnice nádrže
87
Vodní nádrže
Batygrafické křivky
88
Vodní nádrže
Funkční prostory v údolní nádrži
89
Vodní nádrže
Transformace hydrogramu povodně - VRN
90
Download

BR05 - Hydraulika a hydrologie