Ćwiczenie 5
advertisement
HYDROLOGIA dla studentów geologii, specjalizacja: Hydrogeologia i ochrona środowiska wodnego (HOW) Ćwiczenie 5. 18 punktów Obejmuje zakres ćwiczenia nr 31„Przewodnika do ćwiczeń z hydrologii ogólnej” oraz rozdziału 3.1.2.2., 3.3.4.1., 3.4.5.1. „Hydrologii” T. 1. I. Na podstawie „Mapy przeglądowej rozmieszczenia posterunków pomiarowoobserwacyjnych wód powierzchniowych” będącej załącznikiem do „Roczników hydrologicznych wód powierzchniowych” ustalić, który posterunek będzie najbardziej reprezentatywny dla opracowywanej zlewni. Powinien on spełniać następujące warunki: znajdować się możliwie blisko ujścia rzeki głównej, posiadać nieprzerwany ciąg obserwacji przez co najmniej pięć kolejnych lat. Dla każdego roku wynotować (skserować) tabelę „Stany wody (cm) codzienne i charakterystyczne oraz zjawiska lodowe” dla wybranego posterunku. Skonstruować hydrogram dla wybranych pięciu (lub więcej) lat. W tym celu na papierze milimetrowym wykreślić układ współrzędnych H=f(t). Oś rzędnych z lewej strony będzie opisana wartościami względnymi stanów w [cm], natomiast z prawej – wartościami bezwzględnymi odniesionymi do poziomu morza w [m n.p.m.]. Na osi odciętych będzie przedstawiony czas pomiarów w [d]. Najlepiej przyjąć tu skalę, w której 1d = 1 mm. UWAGA: OŚ RZĘDNYCH NIE MUSI PRZEDSTAWIAĆ PEŁNEGO ZAKRESU OD H=0 CM DO H=X CM. JEŻELI ZE WZGLĘDU NA WARTOŚCI H OŚ RZĘDNYCH MUSIAŁA BY BYĆ BARDZO DŁUGA MOŻNA JĄ PRZERWAĆ W POBLIŻU POCZĄTKU UKŁADU I JAKO NASTĘPNĄ JEDNOSTKĘ ZAZNACZYĆ PEŁNĄ WARTOŚĆ NIŻSZĄ OD NNW Z ROZPATRYWANEGO OKRESU. Należy pamiętać, że „Roczniki…” podają stany w układzie roku hydrologicznego to znaczy pierwsza wartość H odnosi się do 1 listopada roku kalendarzowego poprzedzającego rok umieszczony w nagłówku tabeli z „Rocznika…”. Na osi odciętych należy zaznaczyć dni co 5, natomiast opisać co 10; należy także zaznaczyć miesiące i lata hydrologiczne. Wartości stanów należy nanieść kropkami na wykres i połączyć je linią łamaną. UWAGA: HYDROGRAM BĘDZIE POTRZEBNY W ĆWICZENIU 7. 6 punktów II. Wynotować: poziom zera wodowskazu P.z., stany charakterystyczne dla każdego roku hydrologicznego: najwyższy WW, średni SW i najniższy NW, stany ekstremalne dla całego okresu: najwyższy ze stanów wysokich WWW i najniższy ze stanów niskich NNW. Dane te należy umieścić w tabeli 8. Tabela 8 Stany charakterystyczne rzeki … w profilu … Rok hydrologiczny i i+1 i+2 … i+n Stany okresowe [cm] Stany ekstremalne [cm] Poziom zera wodowskazu [ m n.p.m.] WW Stany charakterystyczne [cm] SW SWW WWW SSW P.z. - NW SNW NNW m n.p.m. Miesiące Częstotliwość Przedziały stanów wody ΔH [cm] Częstość w roku Teraz należy wykreślić układ współrzędnych: na osi rzędnych stany wody w [cm], na osi odciętych lata w postaci odcinków o jednakowych długościach. W środku odcinka odpowiadającego danemu rokowi hydrologicznemu odłożyć na odpowiedniej rzędnej punkt odpowiadający NW i WW, a SW zaznaczyć odcinkiem o długości jednostkowej. Połączyć końce odcinka przedstawiającego stan SW z punktami NW i WW tworząc deltoid. W podobny sposób wykreślić deltoidy dla pozostałych lat. Opisać odpowiednie punkty symbolami stanów ekstremalnych: WWW i NNW. Liniami przerywanymi równoległymi do osi odciętych zaznaczyć na odpowiedniej rzędnej stany SNW, SSW i SWW dla całego okresu opracowania. Wyznaczyć górną granicę strefy stanów niskich jako ½ sumy NSW+WNW i dolną granicę strefy stanów wysokich jako ½ sumy WSW+NWW i nanieść na wykres cienkimi liniami ciągłymi. Opisać z boku strefę stanów wysokich (pomiędzy WWW a dolną granicą strefy stanów wysokich), strefę stanów niskich (pomiędzy górną granicą strefy stanów niskich a NNW) oraz strefę stanów średnich pomiędzy nimi. 3 punkty III. Na podstawie wynotowanych z „Rocznika…” tabel „Stany wody (cm) codzienne i charakterystyczne oraz zjawiska lodowe” dla wybranego posterunku i wykresu z pkt. II. ustalić przedział stanów wody. Jeżeli różnica między stanami ekstremalnymi: NNW i WWW wynosi do 200 cm przedziały wyznaczyć co 10 cm począwszy od pełnej wartości niższej od NNW aż do pełnej wartości wyższej od WWW. Jeżeli jest większa niż 200 cm przedziały wyznaczyć co 20 cm. Następnie obliczyć w układzie miesięcznym częstości występowania w całym okresie opracowania stanów z poszczególnych przedziałów i wpisać je do tabeli 9. Uzupełnić resztę rubryk tabeli. Tabela 9 Częstości i czasy trwania stanów wody w rzece…w profilu…w latach… XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X n n/N y1 – y-9 y-10 – y-19 … x2+10 – x+19 x – x+9 Razem Czas trwania stanów wody [d] wraz z wyższymi Σn niższymi Σn’ 1,00 Wykonać histogram rozkładu częstości stanów wody. W tym celu w prostokątnym układzie współrzędnych na osi rzędnych odłożyć przedziały stanów wód ΔH w [cm], a na osi odciętych częstości n. Wyznaczyć stan najdłużej trwający NTW łącząc liniami prostymi narożniki przedziału najliczniejszego z przylegającymi do tego przedziału narożnikami przedziałów sąsiednich i prowadząc przez punkt przecięcia prostą równoległą do osi odciętych. 5 punktów IV. Dla wybranego posterunku wodowskazowego, analogicznie jak w pkt. I., wynotować (skserować) z „Rocznika…” tabele: „Przepływy wody (m3/s), codzienne i charakterystyczne przepływy o określonym czasie trwania, opad i odpływ (mm)” dla tych samych lat, dla których sporządzono hydrogram. Dane zawarte w obu tabelach zestawić w 1 2 y jest najbliższą pełną wartością stanów wyższą od WWW x jest najbliższą pełną wartością stanów niższą od NNW tabeli 10. Wykonać krzywą konsumcyjną. W tym celu na osi rzędnych zaznaczyć stany wody z taką dokładnością jaką stosowano w pkt. III. Na osi odciętych zaznaczyć przepływy w [m3/s] w odpowiednio dobranej skali (zależnej od zróżnicowania przepływów w danym posterunku). Obie osie nie muszą się zaczynać od 0 w początku układu. Na tak przygotowany układ współrzędnych należy nanieść dane zestawione w kolumnach 4. i 7. tabeli 10. UWAGA 1: JEŻELI PARY DANYCH Z CAŁEGO OKRESU OBLICZENIOWEGO BĘDĄ SIĘ POWTARZAĆ NALEŻY PRZY PUNKCIE ZANOTOWAĆ ILOŚĆ POWTÓRZEŃ, NP. JEŚLI W CIĄGU PIĘCIOLETNIEGO OKRESU OBSERWACJI BYŁO DZIESIĘĆ DNI, W KTÓRYCH PRZY STANIE HX PRZEPŁYW WYNOSIŁ QX WÓWCZAS PRZY PUNKCIE O WSPÓŁRZĘDNYCH HX I QX NALEŻY ZANOTOWAĆ LICZBĘ 10. UWAGA 2: CZASAMI MOŻE ZAJŚĆ KONIECZNOŚĆ WYKONANIA KRZYWEJ W Tabela 10 Stany i przepływy w rzece …w profilu …w latach… PrzepłyObjętość MieStany H Rok Dzień T=H-B lg T wy Q lg Q odpływu siąc [cm] [m3/s] V [106m3] 1 2 3 4 5 XI Σ 5V1 N 5 Vi 3 i 1 5 5 Vi i 1 x XII x+1 … x+n I … X XI … … … … 30 1 … 31 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … KILKU SKALACH (NA JEDNYM WYKRESIE). MA TO MIEJSCE WTEDY GDY KRZYWA JEST TZW. KRZYWĄ ZUPEŁNĄ CZYLI OBEJMUJE PEŁNY ZAKRES ZMIENNOŚCI PRZEPŁYWU (ZARASTANIE, ZJAWISKA LODOWE). INFORMACJE O TYCH ZJAWISKACH SĄ PODANE W TABELACH „ROCZNIKA…” (POR. OBJAŚNIENIA SYMBOLI, SKRÓTÓW I ZNAKÓW). Wykreślić wstępną krzywą (lub kilka połączonych krzywych) starając się aby możliwie dużo punktów (należy uwzględnić, zgodnie z powyższym, że czasami jeden punkt zaznaczony na wykresie reprezentuje 10 par współrzędnych Hx i Qx) znalazło się na tej krzywej i jednocześnie liczba punktów leżących na i pod krzywą była podobna. Krzywą tę, jako wstępną, wykreślić należy ołówkiem. Teraz należy dokonać wyrównania krzywej przepływu metodą Harlachera (Byczkowski 1996), czyli opisać krzywą równaniem typu Q = a(H-B)c i krzywą o tym równaniu 3 gdzie N jest liczbą pentad w rozpatrywanym okresie obliczeniowym. Sumowanie przeprowadzić narastająco. wkreślić np. cienkopisem na skonstruowany wykres. W równaniu tym a i c są parametrami krzywej wyznaczanymi graficznie, a B stanem na wodowskazie, przy którym Q = 0. Stałą tę wyznaczyć można metodą Głuszkowa. W tym celu na wykreślonej wstępnej krzywej wybrać dwa punkty leżące w pobliżu punktów skrajnych i odczytać dla nich wartości H1 i Q1 w przypadku punktu leżącego w pobliżu NNW oraz H2 i Q2 dla punktu leżącego w pobliżu WWW. Obliczyć Q3 Q1Q2 i odczytać odpowiadające tej H 23 H1 H 2 wartości H3. Wtedy B . Teraz należy znaleźć stałe a i c metodą 2H 3 H 1 H 2 graficzno-analityczną. W tym celu należy obliczyć T = H-B i wpisać te wartości w kolumnę 5 tabeli 10. Następnie obliczyć lg T oraz lg Q i wpisać je odpowiednio w kolumny 6. i 8. tabeli 10. Sporządzić wykres zależności lg T = f(lgQ) i wyrównać go odręcznie tak jak w przypadku wstępnej krzywej konsumcyjnej. Wybrać dwa punkty położone w pobliżu skrajnych punktów pomiarowych (z zachowaniem poniższej UWAGI) i odczytać dla nich wartości lg T1 i lg Q1 w przypadku punktu leżącego w pobliżu NNW oraz lg T2 i lg Q2 dla punktu leżącego w pobliżu WWW. Wtedy: c = ctg α = (lg Q2 – lg Q1)/(lg T2 – lg T1) oraz lg a = lg Q1 - c·lg T1. UWAGA: PUNKTY 1 I 2 MUSZĄ LEŻEĆ NA JEDNEJ KRZYWEJ, CO OZNACZA, ŻE PUNKT 2 MUSI LEŻEĆ PRZED PUNKTEM BRZEGOWYM. JEŻELI Z WSTĘPNEGO PRZYBLIŻENIA KRZYWEJ WYNIKA, ŻE SKŁADA SIĘ ONA Z KILKU KRZYWYCH NALEŻY DLA KAŻDEJ Z NICH ZNALEŹĆ ODPOWIADAJĄCE JEJ RÓWNANIE, W TYM PARAMETRY A, N I STAŁĄ B. Na koniec obliczyć miary odpływu. Do miar bezwzględnych zalicza się: natężenia przepływu: QsXI, QsXII, …, QsX, Qsz, Qsl, Qsr, Qs rozumiane jako przepływy średnie odpowiednio: z listopada, grudnia, i t.d. do października, z półrocza zimowego, z półrocza letniego, z roku hydrologicznego i z całego okresu opracowania; objętość odpływu: V = 86400Qsd w [m3] gdzie Qs jest przepływem średnim w [m3/s] z danego okresu, d jest liczbą dni w okresie opracowania. Do miar względnych zalicza się: odpływ jednostkowy q = (1000Qy)/A w [l/s·km2], gdzie Qy oznacza odpowiednio wymienione wyżej natężenia przepływu, A – jest powierzchnią zlewni zamkniętą profilem wodowskazowym w [km2]; wskaźnik odpływu h = V/A = (86,4Qsd)/ A w [mm]; współczynnik odpływu C = h/P [%] lub [bezw.], gdzie P jest średnim rocznym wskaźnikiem opadu w zlewni. Do tej ostatniej miary należy wykorzystać obliczenia z ćwiczenia 4. 2 punkty V. Skonstruować krzywą sumową odpływu w układzie prostokątnym ΣV = f(t). W tym celu ustalić na podstawie tabeli 10. skalę osi rzędnych przyjmując jako jednostkę wartość równą np. 106m3 = 1 cm, natomiast na osi odciętych 1 mm = 5 dni. Na wykresie nanieść punkty z kolumny 10 tabeli 10. i połączyć krzywą. Obliczyć średni przepływ dla całego okresu opracowania Qs = tgα·s, gdzie α jest kątem nachylenia siecznej krzywej sumowej, a s = skalaV/skala t [m3/s]. Obliczyć także dwa przepływy chwilowe z dwóch punktów ekstremalnego wychylenia krzywej sumowej ponad i poniżej siecznej. Obliczyć ponadto względne miary odpływu jak w punkcie IV. przyjmując Qy = Qs. 2 punkty
