Hydrologieuvhk.fce.vutbr.cz/sites/default/files/Vyuka/BR05/Hydrolo...Hydrologie Věda, která se...
Transcript of Hydrologieuvhk.fce.vutbr.cz/sites/default/files/Vyuka/BR05/Hydrolo...Hydrologie Věda, která se...
-
Hydrologie
Literatura
Hydrologie pro kombinované studium
Hydrologie. Metodické návody do cvičení
1
Prof. Ing. Miloš Starý, CSc.
-
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 hydrologie
• Hydor + aulos 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
-
KinematickKinematickáá vlnovvlnováá aproximaceaproximace
Kinematická vlna
Rgs
x
y
A
Q
xt
Q
gA
qt
A
x
Q
0
1
Difuzní vlna
Kvazi-dynamická vlna
Dynamická vlna
Rovnice Saint Venanta
9
-
Oblasti platností typů vln dle K a Fr
K. Beven - M. Kirby: Channel Network Hydrology. John Wiley & Sons, UK, 1993, str.108
10..
2.
..
2
3
2
v
gSLK
Sg
BQFr
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 + SpV = 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 činitelésrážky, výpar, vlhkost ovzduší, teplota, tlak, vítr …
Geografičtí činiteléfyzikálně geografičtí, geologické vlastnosti,
vegetační pokryv, říční síť
18
-
Modelování SOP
Složité modely – hydraulika + hydrologie
Hydrologické modely – značná zjednodušení
Základní bilanční rovnice - extrémní zjednodušení !!!
vso HHH
Rvso HHHH
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
-
22
Ovzdušné srážky
-
Srážky
• 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
Podle skupenství - kapalné, pevné
Podle směru - vertikální, horizontální
Popis: úhrn, intenzita, vydatnost
23
-
Měření srážek - klasika
Ombrometr, ombrograf, totalizátor 24
-
Měření srážek - operativa
Impulsní srážkoměry
Váhové srážkoměry25
-
Měření srážek
Meteorologický radar 26
-
Měření srážek
Meteorologická družice - METEOSAT 27
-
Předpovědi srážek
Lace
Aladin
Orografie v ČR
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 srážekroční 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 povodíaritmetický průměr
Hortonova (Thiessenova) polygonální metoda
hyetografická křivka
Prověření homogenity HsPodvojná součtová čára
29
-
Deště
• 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
Srážky - kapalné, vertikální
30
-
Deště
Intenzita
Periodicita
Průměrná doba
opakování
CBA
i
M
mp _
m
M
p
N _
1
[mm.h-1]
[počet roků]
Ombrogram, čára náhradních intenzit (cvič.)
31
-
Deště - Truplovy diagramy ),,( pi
Odvození náhradní intenzity deště iN v malém povodí – mapa α, souhrn SS (i1 , i20), mapa i1Vztah mezi intenzitou a zasaţenou plochouFruhling, Specht
32
-
Sněhová pokrývka
Metoda stupeň-den
Vodní hodnota
.VS
VO
V
V
SN
SN
V
m
.SNV HH
DkHT ..72,45
Objemová
hmotnost
Tání sněhové pokrývky
Měření: sněhoměrná lať a sněhoměr, sněhoměrné snímky, družice
Specifická
vodní hodnota
ipiPi HHTT ,,100
7,0
n
TT
i
33
-
34
Vlhkost ovzduší
-
Vlhkost ovzduší
Absolutní vlhkost - , e - koresponduje s teplotou
Relativní vlhkost -
Sytostní doplněk – d
Vlhkoměry
• psychrometry
• vlasové
• kondenzační
%100E
er
Maximální vlhkost - max , E
35
-
36
Výpar
-
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
Šermerův výparoměr
V průměru 1 – 4 mm za den
V průměru 200 – 800 mm za rok
38
-
Výpar z půdy
Lyzimetr Popova39
-
40
Geografičtí činitelé
-
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 toků42
-
Říční síť
Konvexní a konkávní břeh43
-
Říční síť
Konvexní a konkávní břeh44
-
Říční síť
Vliv protáhlého a vějířovitého povodí na průběh odtoku45
-
46
Měření vodních stavů
a průtoků
-
Vodní stavy - měření
Limnigrafická stanice47
-
Bodové rychlosti - měření
Hydrometrická vrtule48
-
Stanovení průtoku měrným profilem
AA
QyxyxuQ ddd),(
B B
ss BABvhQ0 0
dd
Harlacher
49
-
Měrná křivka průtoku
cbhaQ 2hchbaQ 50
-
Zpracování hydrologických dat
51
-
Zpracování hydrologických dat
Pravděpodobnostní křivky Statistické charakteristiky
Q
DQ, Q, CV,Q
CS,Q
EQ
52
-
Pravděpodobnostní funkce
53
A
a
dxxfAxPAF
A
b
dxxfAxPAP
1 APAF
-
54
b
a
x dxxfxxmxx 1
b
a
kxx dxxfxxmxMxDxDD2
22
xx Dxx x
x
xvC
,
xxM
C xs 33
,
b
a
kx dxxfxxmxM3
33
34
4 x
xMEx
b
a
kx dxxfxxmxM4
44
----------------------------
Výběrové charakteristiky - metoda momentů
----------------------------
----------------------------
-
Statistické charakteristiky
55
Statistická charakteristika Počet relizací
x 20
Dx, x, Cv,x 40
Cs,x 80
Ex 300
M5[x] 1200
Výběrová
charakteristika náhodného
výběru
Odpovídající parametr
základního souboru
- aritmetický průměr x
sx – směrodatná odchylka x
D*x Dx
C*v,x Cv,x
C*s,x Cs,x
E*x Ex
x
-
Výběrové pravděpodobnostní křivky - konstrukce
56
i xmin xmax m
1
2
…
…
k
xn
mp
k
i
pxF1
*
1
*
ki
pxPi x
1 xmax
2
…
…
k xmin
4,0
3,0
n
ip
-
Výběrové charakteristiky - metoda momentů
n
x
x
n
i
i 1
1
1
2
n
xx
s
n
i
i
x
1
1
2
,
n
xk
x
sC
n
i
i
x
xv x
xk ii
3,1
3
,1
1
xv
n
i
i
xsCn
k
C
34
4* x
xs
ME
n
xx
M
n
i
i
1
4
4
-
955
50955 2
xx
xxxS
955
955
xxsx
50
50 xsxx
x
sC xxv *
,
Výběrové charakteristiky - metoda kvantilů
-
Aproximace empirických rozdělení
pravděpodobnosti teoretickými
2
2
1
2
1
xxx
x
exf
N( , )x x
xyf ln
xyf log
xb
axyf
log
yyN ,
Log-normálníNormální
-
Aproximace empirických rozdělení
pravděpodobnosti teoretickými
xx
x
x
exxxx
exf
12
2
2
22
xCs
2
Pearson III
Foster - Rybkin
-
Časové řady v hydrologii
-
Průtokové řady
62
∆t = 1 hodina …………………..Qh řada prům. hodinových průtoků
∆t = 1 den ……….……………..Qd řada prům. denních průtoků
∆t = 1 měsíc …………………...Qm řada prům. měsíčních průtoků
∆t = 1 rok …………..…………..Qr řada prům. ročních průtoků
∆t = celá délka měř. období ….Qa dlouhodobý průměrný průtok
-
Režim vodních toků
Průběh průtoku – Qd, Berounka/Křivoklát, 1937 63
-
Dekompozice průtokové řady
64
-
Průtoky v toku jako náhodné procesy (posloupnosti)
65
Stacionární náhodný proces
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).
Nestacionární náhodný proces
Kvazistacionární náhodný proces
Ergodický náhodný proces
-
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad
66
• Maximální délka
• Metoda momentů
• Prověřování homogenity
• Oprava extrémů
• Oprava vychýlení stat. char.
-
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad
67
• Maximální délka
• Metoda momentů
• Prověřování homogenity
• Oprava extrémů
• Oprava vychýlení stat. char.
-
Rozdělení průtokových řad
68
Průtoková řada
Umělá (syntetická)
Reálná
Měřená
Odvozená
-
69
Hydrologické poměry
v ČR
-
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
73
Měření – střední hodnota
Bilanční rovnice
mHHH vso
13poa smSH
Q
13, smSHHQ pvSa
-
Odtokové poměry
Součinitel odtoku
Specifické dlouhodobé průměrné odtoky - qa
as
ao
H
H
,
,
74
pS
Qq Specifický odtok
-
Režim vodních toků
75
• 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
-
Klasifikace vodnosti jednotlivých roků
76
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
Podklad – čára překročení průměrných ročních průtoků
-
Extrémní průtoky
-
Maximální průtoky
Hydrogram povodně 78
-
Maximální průtoky
Stanovení N-letých maximálních průtoků
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
p = 1- e-p’
p = 1- e-1/N
NQN
79
-
Tvar návrhového hydrogramu povodně
Typický tvar 80
-
Metoda izochron
81
V1 = H1.U1
V2 = H2.U1 + H1.U2
V3=H3.U1 + H2.U2 + H1.U3
V4 = H4.U1 + H3.U2 + H2.U3 + H1.U4
t
V = H(U1 + U2 + U3 + U4)
Q = H/tU1 + U2 + U3 + U4)
QN = iN . SP .
-
Maximální průtoky – malá povodí
Intenzitní vzorec
N
Np
1'
QN = iN . Sp . Tab.
k
p’
iN
82
-
Součinitelé odtoků
83
ČísloZpůsob zastavění a druh pozemku,
příp. druh úpravy povrchu
Sklonitost území
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%.
-
Maximální průtoky – malá povodí
Exponenciální vzorce
84
CN - křivky
n
pS
Aq 100 1100 n
p
pn
p S
AS
S
AQ QN = Q100 N
,)( 2
AIH
IHH
aS
aS
o
A =1000/CN – 10
Ia = 0,2 A
potenciální maximální retenci povodí
počáteční retence povodí v bezodtokové fázi
Vo = Ho SP
(DesQ)
-
Minimální průtoky
Absolutní minimální průtok - Qabs min
N-letý minimální průtok - QN,min Q20,min Q50,min Q100,min
m - denní vody - Qmd Q365d Q355dQ270d Q10,min
Iszkowského vztah - aaabs QnQ ..2,0min,
Minimální zůstatkový průtok Q355d
Analogie -x
A
x
d
A
d
x
a
A
a
Q
Q
Q
QK
Q
Q
min50
min50
330
330
-
Vodní nádrže
-
Vodní nádrže
Základní rovnice nádrže
dV = [ Q( t ) - O(V(t)) ] dt
))(()(d
dtVOtQ
t
V
87
-
Vodní nádrže
Batygrafické křivky 88
-
Vodní nádrže
Funkční prostory v údolní nádrži 89
-
Vodní nádrže
Transformace hydrogramu povodně - VRN90