Hydrologie Prof. Ing. Miloš Starý, CSc. Literatura Hydrologie pro kombinované studium Hydrologie. Metodické návody do cvičení 1
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 etrémní průtoky Vodní nádrže 2
Teoretické vědní obory - V Hydor voda Logos výskyt Aulos - žlab Hydor + logos Hydor + aulos hydrologie 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, eperimenty, 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
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 9
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 10
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 11
Koloběh vody na zemi V o = S o + P V p = S p P V o + V p = S o + S p V = 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(, y, t)) 17
Činitelé ovlivňující SOP Klimatičtí činitelé srážky, výpar, vlhkost ovzduší, teplota, tlak, vítr Geografičtí činitelé fyzikálně geografičtí, geologické vlastnosti, vegetační pokryv, říční síť 18
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 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
Ovzdušné srážky 22
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 23
Měření srážek - klasika Ombrometr, ombrograf, totalizátor 24
Měření srážek - operativa Impulsní srážkoměry Váhové srážkoměry 25
Měření srážek Meteorologický radar 26
Měření srážek Meteorologická družice - METEOSAT 27
Předpovědi srážek Lace Orografie v ČR Aladin 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 srážek roční chod: rovník- 2 ma. 2 min, subtropy- ma. zima, min. léto, mírný- rovnom.u moře, vnitroz. ma. léto, min. zima 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 29
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 30
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] 31
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 zasaţenou plochoufruhling, Specht 32
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 33
Vlhkost ovzduší 34
Vlhkost ovzduší Absolutní vlhkost -, e - koresponduje s teplotou e Relativní vlhkost - r 100 % E Maimální vlhkost - ma, E Sytostní doplněk d Vlhkoměry psychrometry vlasové kondenzační 35
Výpar 36
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 V průměru 1 4 mm za den V průměru 200 800 mm za rok Šermerův výparoměr 38
Výpar z půdy Lyzimetr Popova 39
Geografičtí činitelé 40
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 toků 42
Říční síť Konvení a konkávní břeh 43
Říční síť Konvení a konkávní břeh 44
Říční síť 45 Vliv protáhlého a vějířovitého povodí na průběh odtoku
Měření vodních stavů a průtoků 46
Vodní stavy - měření Limnigrafická stanice 47
Bodové rychlosti - měření Hydrometrická vrtule 48
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 49
Měrná křivka průtoku Q a b h c 2 h Q a h b c 50
Zpracování hydrologických dat 51
Zpracování hydrologických dat Q D Q, Q, C V,Q C S,Q E Q Pravděpodobnostní křivky Statistické charakteristiky 52
Pravděpodobnostní funkce F P A P A f A A P A f F a A A PA 1 b d d 53
Výběrové charakteristiky - metoda momentů D b 1 d ---------------------------- a b 2 2 k a m f 2 D M m f D D M 3 C s, 3 M E C v, 3 m f 3 3 k a M 4 4 ---------------------------- 3 b ---------------------------- d d M 4 m f 4 4 k a b d 54
Statistické charakteristiky 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 relizací 20 D,, C v, 40 C s, 80 E 300 M 5 [] 1200 55
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 56
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 S s 5 5 5 5 95 2 95 95 95 50 50 s 50 C * v, s
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
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 62
Režim vodních toků Průběh průtoku Q d, Berounka/Křivoklát, 1937 63
Dekompozice průtokové řady 64
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 65
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad Maimální délka Metoda momentů Prověřování homogenity Oprava etrémů Oprava vychýlení stat. char. 66
Zvýšení reprezentativnosti průtokových řad Maimální délka Metoda momentů Prověřování homogenity Oprava etrémů Oprava vychýlení stat. char. 67
Rozdělení průtokových řad Umělá (syntetická) Průtoková řada Měřená Reálná Odvozená 68
Hydrologické poměry v ČR 69
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 Q a 73 Měření střední hodnota Bilanční rovnice m H H H v s o 1 3 p o a s m S H Q 1 3, s m S H H Q p v S a
Odtokové poměry Součinitel odtoku Specifický odtok q H H Q S p o, a s, a Specifické dlouhodobé průměrné odtoky - q a 74
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, 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%. 83
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 84
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 Analogie - Q Q A a a K Q Q A 330d 330d Q Q A 50min 50min
Vodní nádrže
Vodní nádrže dv = [ Q( t ) - O(V(t)) ] dt dv Q( t) O( V ( t)) dt Základní rovnice nádrže 87
Vodní nádrže Batygrafické křivky 88
Vodní nádrže Funkční prostory v údolní nádrži 89
Vodní nádrže Transformace hydrogramu povodně - V RN 90