Hydrologie Literatura Hydrologie pro kombinované studium Hydrologie. Metodické návody do cvičení
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
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)
Teoretické vědní obory - V Hydor voda Logos výskyt Aulos - žlab Hydor + logos Hydor + aulos hydrologie hydraulika
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
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
Styčné vědní obory Meteorologie a klimatologie Pedologie a geologie Agrotechnika Hydraulika Využívá vědní obory Matematiku, teorii pravděpodobnosti a statistiku, fyziku, chemii a další
Dělení Hydrologie oceánů Hydrologie pevniny Hydrometeorologie Potamologie Limnologie Glaciologie Hydropedologie
Složky hydrologie Hydrometrie Hydrografie Stochastická hydrologie Kinematická hydrologie Inženýrská hydrologie Staniční síť Technologická linka (data režimová a operativní)
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
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
Hydrosféra 70,5 % zemského povrchu 1,4. 10 9 km 3 celkový objem vody 1,30. 10 9 km 3 moře a oceány 2,4. 10 7 km 3 ledovce 2,3. 10 7 km 3 podzemní voda 1,3. 10 4 km 3 atmosféra (0,001%) 2,1. 10 3 km 3 vodní toky
Koloběh vody na zemi V o = S o + P V p = S p P V o + V p = S o + S p V = S
Povodí (vodní útvary)
Orografické a hydrologické povodí
Srážkoodtokový proces v povodí
Srážkoodtokový proces v povodí
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))
Činitelé ovlivňující SOP Klimatičtí činitelé srážky, výpar, vlhkost ovzduší, teplota, tlak, vítr Geografičtí činitelé fyzikálně geografičtí, geologické vlastnosti, vegetační pokryv, říční síť
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
Klimatičtí činitelé
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
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
Měření srážek - klasika Ombrometr, ombrograf, totalizátor
Měření srážek - operativa Impulsní srážkoměry Váhové srážkoměry
Měření srážek Meteorologický radar
Měření srážek Meteorologická družice - METEOSAT
Předpovědi srážek Lace Orografie v ČR Aladin
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 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
Roční úhrn srážek na území ČR v roce 2002 30
Roční úhrn srážek na území ČR v roce 2003 31
Vyhodnocení srážek Normály ročních úhrnů
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
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]
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
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
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
Výpar Výpar z vodní hladiny Výpar z holé půdy Výpar z rostlin (z povrchu, z pórů - transpirace, evapotranspirace) Klimatický výpar
Výpar z vodní hladiny V průměru 1 4 mm za den V průměru 200 800 mm za rok Šermerův výparoměr
Výpar z půdy Lyzimetr Popova
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)
Říční síť Řády toků
Říční síť Konvení a konkávní břeh
Říční síť Konvení a konkávní břeh
Říční síť Vliv protáhlého a vějířovitého povodí na průběh odtoku
Měření vodních stavů a průtoků 47
Vodní nádrže Batygrafické křivky
Vodní stavy - měření Limnigrafická stanice 49
Bodové rychlosti - měření Hydrometrická vrtule 50
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
Měrná křivka průtoku Q a b h c 2 h Q a h b c 52
Zpracování hydrologických dat 53
Zpracování hydrologických dat Q D Q, Q, C V,Q C S,Q E Q Pravděpodobnostní křivky Statistické charakteristiky 54
Pravděpodobnostní funkce F P A P A f A A P A f F a A A PA 1 b d d 55
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 4 4 ---------------------------- ---------------------------- 3 b ---------------------------- d d M 4 m f 4 4 a b d 56
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 [] 1200 57
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
Výběrové charakteristiky - metoda momentů n n i i 1 1 1 2 n s n i i 1 1 2 *, 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 3 4 4 * s M E n M n i i 1 4 4
Výběrové charakteristiky - metoda kvantilů Tab.: S 5 5 95 2 95 C,, * s, 50 5 95 50 s 5 5 95 95 C * v, 50 s s 50
Aproimace empirických rozdělení pravděpodobnosti teoretickými Normální N(, ) Log-normální N, y y f y ln f 1 1 2 e 2 2 f f y y log log b a
Aproimace empirických rozdělení pravděpodobnosti teoretickými Pearson III f 2 e 1 2 2 2 2 e C s 2 Foster - Rybkin
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) 2 2 2 ˆ 1 i i i i Y Y Y Y R Směrodatná chyba odhadu: 1 ˆ 2 k n Y Y s i i
Časové řady v hydrologii
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
Reálné průtokové řady Průběh průtoku Q d, Berounka/Křivoklát, 1937 66
Dekompozice průtokové řady Trendová složka Reziduální složka Periodická složka Cyklická složka 67
Autokorelační funkce r( ) F 1 [ S( T)] Spektrální hustota S( T) F[ r( )] 68
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
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad Maimální délka Metoda momentů Prověřování homogenity Oprava etrémů Oprava vychýlení statistických charakteristik 70
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
Rozdělení průtokových řad Umělá (syntetická) Průtoková řada Měřená Reálná Odvozená 72
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
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.
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
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
Etrémní průtoky
Maimální průtoky Hydrogram povodně 78
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 100 50 20 10 5 2 1 Q N Stanovení N-letých maimálních průtoků 79
Tvar návrhového hydrogramu povodně Typický tvar 80
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
Maimální průtoky malá povodí Q N = i N. S p. Tab. p' 1 N i N N p k Intenzitní vzorec 82
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
Odtokové poměry Součinitel odtoku Specifický odtok q H H Q S p o, a s, a Specifické dlouhodobé průměrné odtoky - q a 84
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
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
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
Předpovědi vodních stavů a průtoků Dlouhodobé předpovědi Regresní rovnice Regresní modely Klouzavé průměry Harmonická analýza Učící se modely (NS) 88
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
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
Předpovědi vodních stavů a průtoků Krátkodobé předpovědi - pokračování III. Hydrometeorologické předpovědi Střední a velká povodí Koncepční regresní modely (Bilan, Sacramento, Aqualog) 91
Předpovědi vodních stavů a průtoků Krátkodobé předpovědi - pokračování III. Hydrometeorologické předpovědi Střední a velká povodí Kinematická vlnová aproimace (Hydrog) 92
Podzemní vody
Splaveniny