Określenie warunków hydrologicznych rzek

Ocena wielkości i zmienności zasobów wodnych rzek stanowi podstawę wszystkich rozważań i analiz ich energetycznego wykorzystania. Stosunki hydrologiczne rzek i systemów rzecznych określają przypływy charakterystyczne wyznaczone na podstawie długoletnich ciągów obserwacji (minimum 15 lat) ich wielkość, wahania sezonowe i roczne, częstotliwość i czasy trwania w latach: średnim, suchym i mokrym.

W pierwszym rzędzie należy określić dokładną lokalizację obiektu na mapie w skali 1: 25 000 lub             1: 100000 i wyznaczyć wielkość zlewni oraz miarodajną stację wodowskazową o odpowiednio długim ciągu obserwacji zjawisk hydrologicznych.

Określenie dorzecza (zlewni) rzeki

Obszar, z którego rzeką główną dopływają wody do morza lub dużego jeziora nosi nazwę dorzecza (np. dorzecze Wisły).

Zespół dorzeczy, z których rzeki główne odprowadzają wody do jednego morza lub oceanu nazywa się zlewiskiem (np. zlewisko Morza Bałtyckiego). W praktyce terminu dorzecze używa się też do obszaru odwadniającego przez dopływy (np. dorzecze Sanu , Dunajca, Bystrzycy). Obok terminu dorzecze używa się często terminu zlewnia w celu określenia obszaru, z którego wody odpływają daną rzeką przez dowolny przekrój zamykający np. profil jazu. zapory, mostu itd.

Rozróżnia się: 

- dorzecze główne czyli l rzędu, tj. dorzecze rzeki uchodzącej bezpośrednio do morza (np. dorzecze Wisły, Odry); 

- dorzecze II rzędu, tj. dorzecze rzeki uchodzącej do rzeki głównej oraz dorzecze III, IV, V (itd.) rzędu.

Najważniejszym parametrem dorzecza i zlewni jest ich wielkość oznaczona zwykle symbolem A i wyrażona w km². Wielkość dorzecza i zlewni rzeki ograniczoną danym przekrojem należy określić na podstawie materiałów opublikowanych przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW). Wielkość powierzchni dorzeczy i zlewni zestawiono wg. jednej metody i na podstawie jednolitych materiałów źródłowych. Publikacja składa się z trzech części:

część I - zestawienia liczbowo-opisowe, część II - wieloarkuszowa mapa podziału hydrologicznego w skali 1: 200 000, część III - skorowidz nazw obiektów wodnych i nazw wodowskazów.

 W uzasadnionych przypadkach obszar dorzecza i zlewni, lub ich części, można określić na mapie w skali 1: 100 000. Granice dorzecza lub zlewni wyznacza się łącząc najwyższe wyniesienia na wododziale rozgraniczającym sąsiednie cieki wodne. Powierzchnię dorzecza i zlewni określa się przez planimetrowanie i podaje w km².

Przepływy charakterystyczne.

Przepływy charakterystyczne określają hydrologię rzeki w wieloletnim okresie obserwacyjnym.

Rodzaje przepływów.

Z punktu widzenia potrzeb hydrotechniki najczęściej operuje się następującymi przepływami charakterystycznymi z wielolecia:

• przepływ najwyższy z najwyższych obserwowanych oznaczony symbolem WWQ,

• przepływ średni z najwyższych - SWQ,

• przepływ średni ze średnich - SSQ,

• przepływ średni z najniższych - SNQ,

• przepływ najniższy z najniższych obserwowanych - NNQ,

• przepływ ekstremalny o określonym procencie prawdopodobieństwa pojawienia się Qmax p%, Qmin%,

• przepływ nienaruszalny - Qn,

• przepływ o określonym czasie trwania.

Obliczanie przepływów charakterystycznych

Sposób określenia liczbowych wartości przepływów charakterystycznych zależy od posiadanego materiału obserwacyjnego. Wymienić można trzy podstawowe metody obliczeń:

• metoda bezpośrednia, tj. statystyczna - stosuje się dla rzek i profili mających odpowiednie długie obserwacje przebiegu stanów wody i pomiary hydrometryczne obejmujące niskie, średnie i wysokie stany pozwalające na sporządzanie zbiorów wartości przepływów dla wielolecia;

• metoda pośrednia, tj. analogii hydrologicznej - stosuje się w przypadkach braku wystarczających materiałów hydrologicznych (krótkie okresy obserwacji, brak bezpośrednich pomiarów przepływu);

• metoda empiryczna - stosuje się zarówno w przypadku braku jakichkolwiek danych hydrometrycznych, jak również braku możliwości zastosowania metody analogii. W metodzie tej można posługiwać się różnymi wzorami empirycznymi, podanymi w literaturze specjalistycznej, lub mapami obszarowego rozkładu elementów hydrologicznych (normy odpływu).

Najdokładniej można wyznaczyć przepływy charakterystyczne za pomocą metody statystycznej. W metodzie tej korzysta się z zestawień (tablic) dobowych wartości przepływów z wieloletnich cyklów obserwacji. Zestawione w ten sposób dane dla wielu lat obserwacyjnych pozwalają na określenie:

• przepływu średniego z wielolecia SSQ, który jest średnią arytmetyczną ze średnich rocznych wartości przepływów poszczególnych lat okresu obserwacji;

• przepływu najwyższego obserwowanego w rozpatrywanym okresie, zarówno w półroczu zimowym, jak i letnim WWQ;

• przepływu średniego z najwyższych rocznych obserwowanych w poszczególnych latach w wieloleciu SWQ;

• przepływu najniższego obserwowanego w całym wieloleciu NNQ;

• przepływu średniego niskiego SNO obliczonego jako średnia arytmetyczna z najniższych rocznych przepływów poszczególnych lat okresu obliczeniowego.

Przepływy ekstremalne (maksymalne i minimalne) o określonym procencie prawdopodobieństwa pojawienia się są podane dla szeregu profili wodowskazowych.W przypadku koniecznym obliczenia przepływów prawdopodobnych dokonuje się wgzasad statystyki matematycznej i rachunku prawdopodobieństwa omówionych w literaturze specjalistycznej.

Przepływy o określonym czasie trwania wyznacza się z krzywych sum czasów trwania przepływów opracowanych dla poszczególnych lat lub dla wielolecia na podstawie dobowych wartości przepływów.

Przepływy uszeregowane od najwyższego do najniższego lub od najniższego do najwyższego, następnie wykreślone w układzie współrzędnych (przepływ i czas), wyznaczają krzywą sum czasów trwania przepływów.

Metoda analogii hydrologicznej polega na dobraniu zlewni i jej profilu w rzece sąsiedniej o zbliżonej powierzchni zlewni, który to profil ma długie ciągi obserwacyjne umożliwiające obliczenie przepływów charakterystycznych metodą statystyczną. Zlewnie muszą mieć podobne warunki fizjograficzne i klimatyczne kształtujące odpływy. W metodzie tej analizuje się wspólne parametry rzeki rozpatrywanej i rzeki "analoga", a mianowicie: wielkość i charakter zlewni, pokrycie terenu, wielkość i rozkład opadów, współczynniki odpływów, długość rzeki.

Spośród metod empirycznych zaleca się przyjmowanie metody norm jednostkowych odpływów. Normy zostały opracowane przez J. Stachy. Dla całego obszaru kraju zostały wyznaczone izolinie jednakowych wartości odpływów jednostkowych, tzn. izoreje opracowane na podstawie metod statystycznych dla kilkuset stacji wodowskazowych.

Mapy podane na rys. 1 — 3,  przedstawiają obszary jednakowych odpływów wód, charakterystycznych dla terenów Polski, opracowane na podstawie wieloletnich obserwacji.

                            -----2----- izoreje l/s km² 

Rys.1. Średnie odpływy jednostkowe SSq, wg. J. Stachy.

Przepływ nienaruszalny (biologiczny, ()„) jest to minimalny graniczny przepływ wody w rzekach, który nie może być zmniejszony na skutek działalności gospodarczej w dorzeczach. Przepływ ten zapewnia ochronę środowiska przyrodniczego i życia biologicznego wód oraz oczekiwania społeczne związane z rekreacją i wypoczynkiem. Metoda określania wartości tego przepływu jest złożona i polega na:

                            -----2----- izoreje l/s km² 

Rys.2. Najniższe odpływy jednostkowe NNq, wg. J. Stachy.

                              -----2----- izoreje l/s km² 

Rys.3. Średnie niskie odpływy jednostkowe SNq, wg. J. Stachy.

• przesłankach hydrobiologicznych warunkujących zachowanie podstawowych form flory i fauny,

• wymaganiach rybacko-wędkarskich,

• ochronie obiektów przyrodniczych prawnie chronionych,

• zachowaniu piękna krajobrazu terenów przybrzeżnych rzek,

• wymaganiach rzecznej turystyki wodnej.

W Polsce wielkości przepływu nienaruszalnego praktycznie są określone na podstawie publikacji IMGW. Kryteria i wielkości przepływu nienaruszalnego dla rzek Polski., podane w publikacji, obejmują sieć rzeczną kraju.

Wartości te są traktowane przez władze administracji państwowej jako obowiązujące przy sporządzaniu bilansów wodnogospodarczych, obliczeniach parametrów energetycznych itd.

W praktyce projektowej, w przypadku braku takich danych dla rozpatrywanej rzeki lub cieku zaleca się ustalenie wartości przepływu nienaruszalnego wg wzoru:

Qn = K*(SNQ);

Współczynnik K zależy głównie od typu hydrologicznego rzeki i wielkości zlewni, może wynosić 0.5 — 1,5. Największe wartości współczynnika K występują w przypadku rzek górskich o małych zlewniach, a najmniejsze - dużych rzek niezinnych.

Miary przepływu

Charakterystyki hydrologiczne określające ilości wody odpływającej ze zlewni mogą być wyrażone w postaci wielu miar, do których należą:

-  objętość odpływu (odpływ) V; m³; tyś. m³; km³ -jest to ilość wody, jaka odpływa z określonego obszaru w jednostce czasu (doba, dekada, miesiąc, rok);

-  natężenie przepływu (przepływ) Q; m³/s, l/s -jest to ilość wody. jaka przepływa przez przekrójpoprzeczny cieku w jednostce czasu (sekunda, godzina);

odpływ jednostkowy q; V(s *km²) - przedstawia ilość wody odpływającej w jednostce czasu zjednostki powierzchni rozpatrywanej zlewni.

q = Q /A;  [1/s*km² ]

Warstwa odpływu (wskaźnik odpływu) H - wyraża wysokość warstwy wody odpływającej w określonym czasie  (rok, miesiąc) z z rozpatrywanego obszaru;

H = [V/ (A*10⁶)] ; [mm]  lub    H = [V/ (A*10³)] ; [mm];

Miary względne (q. H), które nie zależą od powierzchni obszaru zlewni, umożliwiają porównywanie właściwości hydrologicznych poszczególnych zlewni i obszarów.

MOŻLIWOŚCI I CELOWOŚĆ BUDOWY MEW

TECHNOLOGICZNE ROZWIĄZANIA MEW

WSTECZ