Hydrologie. Literatura Hydrologie pro kombinované studium Hydrologie. Metodické návody do cvičení

Transkript

1 Hydrologie Literatura Hydrologie pro kombinované studium Hydrologie. Metodické návody do cvičení

2 Přednášky Úvod, význam, základní pojmy Klimatičtí činitelé (srážky, vlhkost ovzduší) Geografičtí činitelé povodí Měření vodních stavů a průtoků Zpracování hydrologických dat Režim vodních toků a etrémní průtoky Předpovědi vodních stavů a průtoků Podzemní vody Splaveniny

3 Cvičení Geografičtí činitelé povodí Vyhodnocení ombrogramu deště Stanovení intenzity náhradního přívalového deště pro malé povodí Stanovení průměrného srážkového úhrnu v provodí Výpočet zásoby vody ve sněhové pokrývce Vyhodnocení hydrometrování v měrném profilu na toku Analýza reálné průtokové řady (4 cvičení) Návrhový hydrogram povodně (Čerkašin, intenzitní vzorce) Konstrukce hydrogramu povodně (jednotkový hydrogram)

4 Teoretické vědní obory - V Hydor voda Logos výskyt Aulos - žlab Hydor + logos Hydor + aulos hydrologie hydraulika

5 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

6 Vývoj hydrologie Starověké civilizace Do 15 stol. - intuice a dohady Do 19. stol. pozorování, měření, eperimenty, modernizace, matematizace Od r.1900 jako samostatný vědní obor (Pitotova trubice, Chézyho rovnice, Hydrometrická vrtule

7 Styčné vědní obory Meteorologie a klimatologie Pedologie a geologie Agrotechnika Hydraulika Využívá vědní obory Matematiku, teorii pravděpodobnosti a statistiku, fyziku, chemii a další

8 Dělení Hydrologie oceánů Hydrologie pevniny Hydrometeorologie Potamologie Limnologie Glaciologie Hydropedologie

9 Složky hydrologie Hydrometrie Hydrografie Stochastická hydrologie Kinematická hydrologie Inženýrská hydrologie Staniční síť Technologická linka (data režimová a operativní)

10 Kinematick Kinematická vlnov vlnová aproimace aproimace Kinematická vlna R g s y A Q t Q ga q t A Q 0 1 Difuzní vlna Kvazi-dynamická vlna Dynamická vlna Rovnice Saint Venanta

11 Oblasti platností typů vln dle K a Fr 2. Q. B Fr 3 g. S L. S. g K 2 v 10 2 K. Beven - M. Kirby: Channel Network Hydrology. John Wiley & Sons, UK, 1993, str.108

12 Hydrosféra 70,5 % zemského povrchu 1, km 3 celkový objem vody 1, km 3 moře a oceány 2, km 3 ledovce 2, km 3 podzemní voda 1, km 3 atmosféra (0,001%) 2, km 3 vodní toky

13 Koloběh vody na zemi V o = S o + P V p = S p P V o + V p = S o + S p V = S

14 Povodí (vodní útvary)

15 Orografické a hydrologické povodí

16 Srážkoodtokový proces v povodí

17 Srážkoodtokový proces v povodí

18 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(, y, t))

19 Činitelé ovlivňující SOP Klimatičtí činitelé srážky, výpar, vlhkost ovzduší, teplota, tlak, vítr Geografičtí činitelé fyzikálně geografičtí, geologické vlastnosti, vegetační pokryv, říční síť

20 Modelování SOP Složité modely hydraulika + hydrologie Hydrologické modely značná zjednodušení Základní bilanční rovnice - etrémní zjednodušení!!! H H o o H H s s H v H v H R

21 Klimatičtí činitelé

22 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

23 Srážky Podle skupenství - kapalné, pevné Podle směru - vertikální, horizontální Popis: úhrn, intenzita, vydatnost Pozorování srážek (staniční síť) - klimatické stanice (2020m, zatrav., oploc., ne mikroklima a vod.pl.) základní (7h, 14h, 21h + aut. reg.), doplňkové (7h) - srážkoměrné stanice Homogenita měření (79 km 2 ) Standardizace měření

24 Měření srážek - klasika Ombrometr, ombrograf, totalizátor

25 Měření srážek - operativa Impulsní srážkoměry Váhové srážkoměry

26 Měření srážek Meteorologický radar

27 Měření srážek Meteorologická družice - METEOSAT

28 Předpovědi srážek Lace Orografie v ČR Aladin

29 Srážky Plošné rozdělení srážek (úhrny za rok) ve světě: 2000 mm- rovník, 500 mm tropy a subtropy, mm mírný pás, 300 mm póly u nás: průměr 740 mm, 400 mm Žatecko, 1000 mm a více hory Časové rozdělení srážek roční chod: rovník- 2 ma. 2 min, subtropy- ma. zima, min. léto, mírný- rovnom.u moře, vnitroz. ma. léto, min. zima u nás (25%, 40%, 20%, 15%) denní chod (mírný pás): pobřeží- ma. den, min. noc, pevnina- 2 ma. a 2 min. Metody stanovení průměrných H s v povodí aritmetický průměr Hortonova (Thiessenova) polygonální metoda hyetografická křivka Prověření homogenity H s Podvojná součtová čára

30 Roční úhrn srážek na území ČR v roce

31 Roční úhrn srážek na území ČR v roce

32 Vyhodnocení srážek Normály ročních úhrnů

33 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

34 Deště Ombrogram, čára náhradních intenzit (cvič.) Intenzita i A B C [mm.h-1] Periodicita _ p m M Průměrná doba opakování N _ 1 p M m [počet roků]

35 Deště - Truplovy diagramy ( i,, p) Odvození náhradní intenzity deště i N v malém povodí mapa α, souhrn SS (i 1, i 20 ), mapa i 1 Vztah mezi intenzitou a zasaženou plochoufruhling, Specht

36 Sněhová pokrývka Vodní hodnota Specifická vodní hodnota V V VO VS. Objemová hmotnost m V SN SN Měření: sněhoměrná lať a sněhoměr, sněhoměrné snímky, družice Tání sněhové pokrývky Metoda stupeň-den HV H. SN H 45,72. k. T D 0,7 100 T i T P, i H H p, i T n T i

37 Vlhkost ovzduší Absolutní vlhkost -, e e Relativní vlhkost - r 100 E Maimální vlhkost - ma, E - koresponduje s teplotou % Sytostní doplněk d Vlhkoměry psychrometry vlasové kondenzační

38 Výpar Výpar z vodní hladiny Výpar z holé půdy Výpar z rostlin (z povrchu, z pórů - transpirace, evapotranspirace) Klimatický výpar

39 Výpar z vodní hladiny V průměru 1 4 mm za den V průměru mm za rok Šermerův výparoměr

40 Výpar z půdy Lyzimetr Popova

41 Geografičtí činitelé

42 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)

43 Říční síť Řády toků

44 Říční síť Konvení a konkávní břeh

45 Říční síť Konvení a konkávní břeh

46 Říční síť Vliv protáhlého a vějířovitého povodí na průběh odtoku

47 Měření vodních stavů a průtoků 47

48 Vodní nádrže Batygrafické křivky

49 Vodní stavy - měření Limnigrafická stanice 49

50 Bodové rychlosti - měření Hydrometrická vrtule 50

51 Stanovení průtoku měrným profilem Q u(, y) d d y A A dq Harlacher Q B h v d B B s 0 0 A s d B 51

52 Měrná křivka průtoku Q a b h c 2 h Q a h b c 52

53 Zpracování hydrologických dat 53

54 Zpracování hydrologických dat Q D Q, Q, C V,Q C S,Q E Q Pravděpodobnostní křivky Statistické charakteristiky 54

55 Pravděpodobnostní funkce F P A P A f A A P A f F a A A PA 1 b d d 55

56 Statistické charakteristiky - metoda momentů D m f 1 b 2 D M m f D a b d 2 2 a D M 3 C s, 3 M E C v, 3 m f 3 3 a M b d d M 4 m f 4 4 a b d 56

57 Statistické charakteristiky Symbolika Chyba 10 % Výběrová charakteristika náhodného výběru Odpovídající parametr základního souboru - aritmetický průměr s směrodatná odchylka D* D C* v, C v, C* s, C s, E* E Statistická charakteristika Počet realizací 20 D,, C v, 40 C s, 80 E 300 M 5 []

58 Výběrové pravděpodobnostní křivky - konstrukce i min ma m 1 m n * * p F p P k i1 1 ik p i 1 ma i 0,3 p n 0,4 2 2 k k min 58

59 Výběrové charakteristiky - metoda momentů n n i i n s n i i *, n k s C n i i v k i i 3, 1 3 *, 1 1 v n i i s C n k C * s M E n M n i i 1 4 4

60 Výběrové charakteristiky - metoda kvantilů Tab.: S C,, * s, s C * v, 50 s s 50

61 Aproimace empirických rozdělení pravděpodobnosti teoretickými Normální N(, ) Log-normální N, y y f y ln f e 2 2 f f y y log log b a

62 Aproimace empirických rozdělení pravděpodobnosti teoretickými Pearson III f 2 e e C s 2 Foster - Rybkin

63 Posouzení úspěšnosti odhadu (Regresní analýza) 2 2 Y X Y X r X X X i Y Y Y i 1,1 r Koeficient korelace: Koeficient determinace: (Nash Sutclife) ˆ 1 i i i i Y Y Y Y R Směrodatná chyba odhadu: 1 ˆ 2 k n Y Y s i i

64 Časové řady v hydrologii

65 Průtokové řady t = 1 hodina..q h t = 1 den...q d t = 1 měsíc...q m t = 1 rok....q r t = celá délka měř. období.q a řada prům. hodinových průtoků řada prům. denních průtoků řada prům. měsíčních průtoků řada prům. ročních průtoků dlouhodobý průměrný průtok 65

66 Reálné průtokové řady Průběh průtoku Q d, Berounka/Křivoklát,

67 Dekompozice průtokové řady Trendová složka Reziduální složka Periodická složka Cyklická složka 67

68 Autokorelační funkce r( ) F 1 [ S( T)] Spektrální hustota S( T) F[ r( )] 68

69 Průtoky v toku jako náhodné procesy (posloupnosti) f(q,t), F(Q,t), P(Q,t), (Q,t), D(Q,t), (Q,t), C V (Q,t), C S (Q,t), E(Q,t), r(,t). Stacionární náhodný proces Nestacionární náhodný proces Kvazistacionární náhodný proces Ergodický náhodný proces 69

70 Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad Maimální délka Metoda momentů Prověřování homogenity Oprava etrémů Oprava vychýlení statistických charakteristik 70

71 Umělé průtokové řady f(q,t), F(Q,t), P(Q,t), (Q,t), D(Q,t), (Q,t), C V (Q,t), C S (Q,t), E(Q,t), r(,t). 71

72 Rozdělení průtokových řad Umělá (syntetická) Průtoková řada Měřená Reálná Odvozená 72

73 Odvozování průtokových řad 73 Řada průměrných ročních průtoků: Řada průměrných měsíčních průtoků: i r A i r a A a Q Q K Q Q,, pro i = 1, 2, n m i A m i a A a Q Q K Q Q,, pro i = 1, 2, n - v poměru dlouhodobých průměrných průtoků - pomocí srážkoodtokových úhrnných křivek Řada průměrných ročních průtoků: Řada průměrných měsíčních průtoků: 1 3, s m S H Q p X r o r 1 3, s m S H Q p X m o m

74 Dlouhodobý průměrný průtok Q a 74 Měření střední hodnota Bilanční rovnice m H H H v s o 1 3 p o a s m S H Q Podélný profil dlouhodobých průměrných průtoků Metoda izolinií specifického odtoku, i i ai a P P q q i a a P q Q.

75 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 Maimální průtok Q ma : největší (kulminační) průtok povodňové vlny v určitém období (den měsíc, rok, řada let) N-letý maimální průtok Q N : největší (kulminační) průtok povodňové vlny, který je dosažen nebo překročen v dlouhodobém průměru jednou za N let. (Q 1, Q 2, Q 5, Q 10, Q 20, Q 50, Q 100 ) Minimální průtok Q min : nejmenší průměrný denní průtok v určeném období (den měsíc, rok, řada let) N-letý minimální průtok Q N,min : nejmenší průměrný denní průtok, který je dosažen nebo nedostoupen průměrně jednou za N let 75

76 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

77 Etrémní průtoky

78 Maimální průtoky Hydrogram povodně 78

79 Maimální průtoky p = 1- e -p p = 1- e -1/N N 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 Q N Stanovení N-letých maimálních průtoků 79

80 Tvar návrhového hydrogramu povodně Typický tvar 80

81 Metoda izochron t V 1 = H 1.U 1 V 2 = H 2.U 1 + H 1.U 2 V 3 =H 3.U 1 + H 2.U 2 + H 1.U 3 V 4 = H 4.U 1 + H 3.U 2 + H 2.U 3 + H 1.U 4 V = H(U 1 + U 2 + U 3 + U 4 ) Q = H/tU 1 + U 2 + U 3 + U 4 ) Q N = i N. S P. 81

82 Maimální průtoky malá povodí Q N = i N. S p. Tab. p' 1 N i N N p k Intenzitní vzorec 82

83 Součinitelé odtoků Číslo Způsob 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, dlažby se zálivkou 0,70 0,80 0,90 III Obyčejné dlažby (pískové spáry) 0,50 0,60 0,70 IV Štěrkové silnice, dlažba 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

84 Odtokové poměry Součinitel odtoku Specifický odtok q H H Q S p o, a s, a Specifické dlouhodobé průměrné odtoky - q a 84

85 Maimální průtoky malá povodí Eponenciální vzorce q A Q 100 p 100 n n n 1 S S p S p p A S A Q N = Q 100 N CN - křivky (DesQ) H o ( H H S S I I a a ) 2 A, V o = H o S P A =1000/CN 10 potenciální maimální retenci povodí I a = 0,2 A počáteční retence povodí v bezodtokové fázi 85

86 Minimální průtoky Absolutní minimální průtok - Q abs min N-letý minimální průtok - Q N,min Q 20,min Q 50,min Q 100,min m - denní vody - Q md Q 270d Q 355d Q 365d Q 10,min Minimální zůstatkový průtok Q 355d Iszkowského vztah - Q 0,2. n. Q abs, min a a n a 0.3;0. 8 Analogie - Q Q A a a K Q Q A 330d 330d Q Q A 50min 50min

87 Předpovědi vodních stavů a průtoků Formální zápis předpovědního modelu Pravděpodobnostní charakter předpovědí Rozdělení předpovědí Termínované a netermínované Statistické, genetické, kombinované Hydrometrické a hydrometeorologické Dlouhodobé, střednědobé, krátkodobé, operativní 87

88 Předpovědi vodních stavů a průtoků Dlouhodobé předpovědi Regresní rovnice Regresní modely Klouzavé průměry Harmonická analýza Učící se modely (NS) 88

89 Předpovědi vodních stavů a průtoků Střednědobé předpovědi Regresní rovnice Regresní modely Klouzavé průměry Harmonická analýza Odtok z tání sněhové pokrývky Málovodá období výtokové křivky 89

90 Předpovědi vodních stavů a průtoků Krátkodobé předpovědi I. Hydrometrické předpovědi Metoda tendencí Metoda odpovídajících si průtoků Muskingum II. Hydrodynamické předpovědi Saint_Venant III. Hydrometeorologické předpovědi Malá povodí : Hs H o hydrogram Ho =. Hs, hydrogram: Ho = f (Hs,, týden, API ) - RR, KK, NS, CN trojúhelník, izochrony, JH 90

91 Předpovědi vodních stavů a průtoků Krátkodobé předpovědi - pokračování III. Hydrometeorologické předpovědi Střední a velká povodí Koncepční regresní modely (Bilan, Sacramento, Aqualog) 91

92 Předpovědi vodních stavů a průtoků Krátkodobé předpovědi - pokračování III. Hydrometeorologické předpovědi Střední a velká povodí Kinematická vlnová aproimace (Hydrog) 92

93 Podzemní vody

94 Splaveniny

95