SEMINARIUM DANE HYDROLOGICZNE DO … · Qsr – przepływ średni roczny w m 3 s-1, c –...

SEMINARIUM

DANE HYDROLOGICZNE DO PROJEKTOWANIA

UJĘĆ WÓD POWIERZCHNIOWYCH

Warszawa 18 wrzesnia 2015 r.

Wyzsza Szkola Administracji w Bielsku-Bialej

SHPStowarzyszenie Hydrologów Polskich

Beniamin Wi ęzik

●

Zakres:

- Ocena zasobów dyspozycyjnych i eksploatacyjnych.

- Rodzaje ujęć wody powierzchniowej.

- Przepływy miarodajne i kontrolne.

- Ruch rumowiska w obrębie ujęcia.

- Podsumowanie.

Zasoby dyspozycyjne wód powierzchniowychto odpływ w określonym czasie,

możliwy do zagospodarowania przy uwzględnieniu warunków

środowiskowych, bez wskazywania lokalizacji ujęcia wody.

Zasoby eksploatacyjne wód powierzchniowychto objętość wody możliwa do

pobrania w konkretnym przekroju cieku (przekroju uj ęcia wody) w

określonym czasie i ustaloną gwarancją, przy zachowaniu przepływu

nienaruszalnego (hydrobiologicznego) i wymaganego.

Podstawowe definicje

Przepływem nienaruszalnymjest przepływ odpowiadający granicznemu

napełnieniu koryta cieku, przy którym zachowane są podstawowe procesy

biologiczne ekosystemu wodnego.

Przepływem wymaganymjest przepływ, który musi być pozostawiony w

cieku z uwagi na innych użytkowników, określony według kryterium

eksploatacyjnego (istniejące niżej ujęcia wody), krajobrazowego i in.

z uwzględnieniem hierarchii spełnienia potrzeb.

Przepływ nienaruszalny i wymagany

Wiejskie systemy zaopatrzenia w wodę

Przekrój ujęcia wody

Planowana lokalizacja ujęcia wody

Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody(Dz.U. z 2002 r. Nr 8 poz. 70 )

1 dm3·s-1 = 85,4 m3·d-1→ 854 mieszk.

APc0,03171Qsr ⋅⋅=

Przepływ średni roczny - wzór Iszkowskiego (1886)

gdzie:Qsr – przepływ średni roczny w m3 s-1,c – współczynnik odpływu (góry jak Beskidy, Wogezy c = 0,55),P – wysokość opadu średniego rocznego (normalnego) w m,A – powierzchnia zlewni w km2.

sr1 Qν0,4Q ⋅=

Przepływ średni niski Q1 (SNQ)

gdzie:ν - współczynnik retencji,

Przepływ nienaruszalny (potoki górskie)

1nn Q1,52Q =

Zasoby eksploatacyjne

nnsre QQQ −=

Ujęcie wody na potoku górskim

Koryto powyżej ujęcie wody na potoku górskim

Koryto poni żej ujęcie wody na potoku górskim

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Wodowskaz Żabnica - Przepływ Q [m3s-1]

Leś

nian

ka (

prze

krój

ujęc

ia)

- P

rzep

ływ

Q [

m3 s-1]

Ujęcie wody – potok Leśnianka Wodowskaz Żabnica

Analogia hydrologiczna

(krzywa regresji)

Roczne krzywe sum czasów trwania przepływów wraz z wyższymi

Przekrój uj ęcia wody

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Czas t [doby]

Prz

ep

ływ

Q [m

3 s-1]

2003 2002 20012000 1999 19981997 1996 19951994 1993 19921991 1990 19891988 1987 19861985 1984 19831982 1981 19801979 1978 19771976 1975 19741973 1972 1971

Qe +Q nn = 0,017 m3s-1Qe + Qnn= 10,7 dm3 s-1

Gwarancja przepływu eksploatacyjnego

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08

Przepływ Q [m3s-1]

Dys

tryb

uan

ta r

ozk

ład

u

Gw

ara

ncj

a

0,8

0,7

1

0,9

0,6

0,5

0,42

1

34

5 Czasy trwania

1 - 365 dni 2 - 340 dni 3 - 310 dni 4 -280 dni 5 - 250 dni

0,0107

Potok Cięcinka

Potok Hrobaczy

Potok Zimny

Potok Kalonka

Ujęcie infiltracyjno-poddenne

Rzut z góry

Przekrój poprzeczny ujęcia wody

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA z dnia 20 kwietnia 2007 r.

w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie (Dz. U. z 2007 r. Nr 86 poz. 579 ).

Przepływy miarodajne i kontrolne

ZLEWNIE KONTROLOWANE

Prawdopodobieństwo przewyższenia - rozkład Pearsona (typ III)

Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

(metoda największej wiarygodności)

gdzie:

ε - dolne ograniczenie przepływu w m3/s,

α - parametr skali,

tp - zmienna standaryzowana.

pmaxp% tα

1εQ +=

Krzywe prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

0,11,010,0100,0

Prawdopodobieństwo p [%]

Prz

ep

ływ

Qm

ax p

% [

m3 s

-1]

Prawdopodobieństwo empiryczne Epsylon = 1,0 Epsylon = 2,0 Epsylon = 3,0

Rzeka Biała Wodowskaz Mikuszowice

Prawdopodobieństwo przewyższenia - rozkład Pearsona (typ III)

]cp)Φ(s,1[QQ ν50%maxp%max +=

Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

(metoda decyli)

gdzie:

Qmax p%- przepływy maksymalne roczne o prawdopodobieństwie p w m3/s,

Q max 50%- przepływ środkowy o prawdopodobieństwie p = 50 % odczytany

z wyrównanej krzywej empirycznej w m3/s,

Φ(s,p)- funkcja zależna od współczynnika skośności s i prawdopodobieństwa p,

cv - współczynnik zmienności.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

0,1110100

Prawdopodobieństwo p [%]

Prz

ep

ływ

Qm

ax p

% [

m3 s

-1]

Prawdopodobieństwo teoretyczne

Prawdopodobieństwo empiryczne

Przedział ufności

Rzeka Biała Wodowskaz Mikuszowice

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

220,0

240,0

0,1110100

Prawdopodobieństwo p [%]

Prz

epły

w Q

max

p%

[m3 /s]

Rzeka Biała Wodowskaz Mikuszowice

MNW (1950-2001)

CUGW (1950-2001)

Krzywe prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych

rocznych o określonym prawdopodobieństwie

przewyższenia

ZLEWNIE NIEKONTROLOWANE

jp11p AHFfQ δλϕ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= %%max,

gdzie:

Qmax, p%- przepływ maksymalny roczny o prawdopodobieństwie p w m3/s,

f - bezwymiarowy współczynnik kształtu fali,

F1 - maksymalny moduł odpływu jednostkowego,

ϕ - współczynnik odpływu,

H1% - maksymalny opad dobowy o prawdopodobieństwie 1% w mm,

A - powierzchnia zlewni w km2,

λp - kwantyl rozkładu dla założonego prawdopodobieństwa p,

δj - współczynnik redukcji jeziornej.

Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

Formuła opadowa

A < 50 km2

1/41

1/41/3r1

r )H(AIm

l)(L1000Φ

%ϕ⋅⋅+=

gdzie:

L+l – długość cieku wraz z suchą doliną w km,

m – miara szorstkości koryta odczytana z tabeli,

Ir1 – spadek cieku.

1/21

1/4ss

1/2s

s )H(Im

)l(1000Φ

%ϕ⋅=

gdzie:

ls – średnia długość stoków w km,

ms – miara szorstkości stoków

Is – średni spadek stoków.

Hydromorfologiczna charakterystyka koryta

Hydromorfologiczna charakterystyka stoków

Krzywa prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

110100

Prawdopodobieństwo p [%]

Prz

epły

w Q

ma

xp% [m

3 /s]

80 60 50 40 30 20 8 6 5 4 3 2

Potok StarobielskiPrzekrój ujściowy

ppp QQ λ⋅= = %1max,%max,

gdzie:

Qmax, p%- przepływ maksymalny roczny o prawdopodobieństwie p w m3/s,

λp - kwantyl, ustalony dla bezwymiarowych krzywych regionalnych przepływów

maksymalnych.

47,011,235,010,007,111,1%1

92,0%1max, )1()1( −−

= +⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅= BJezIHAQ robszarp ψϕα

gdzie:

αobszar– regionalny parametr równania,

A - powierzchnia zlewni,

H1% - maksymalny opad dobowy o prawdopodobieństwie p = 1% w mm,

φ - współczynnik odpływu

Ir - spadek cieku,

ψ - średni spadek zlewni,

Jez- wskaźnik jeziorności zlewni,

B - wskaźnik zabagnienia zlewni.

Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia

Obszarowe równanie regresjiA > 50 km2

Porównanie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

0,1110100

Prawdopodobieństwo p [%]

Prz

ep

ływ

Qm

ax,

p% [

m3 s

-1]

Formuła opadowa

Obszarowe równanie regresji

Rzeka Skawica Wodowskaz Zawoja

A = 48,54 km2

1s1rt t)(1t

Γ(s)Γ(r)

s)Γ(rx −− −+=

gdzie:xt – współczynniki rozdziału dobowej sumy opadu na przedziały obliczeniowe,t – czas [h],r, s – parametry rozkładu,Pp=1% – wysokość opadu dobowego o prawdopodobieństwie p = 1% [mm].

%1=⋅= ptt PxP

>−+

−

≤−

=

∑∑

∑

∑

∑

=

=

=

=

=t

1iit

1ii

t

1i

2i

t

1ii

t

1ii

0S)0,2P(gdyS0,8P

S)0,2P(

0S)0,2P(gdy0

H

gdzie:

∑=

t

iiH

1– suma wysokości średniego w zlewni opadu efektywnego [mm],

∑=

t

iiP

1– suma wysokości średniego w zlewni opadu w zlewni [mm],

S– maksymalna retencja zlewni [mm].

Funkcja rozkładu opadu dobowego (24 h)

Opad efektywny

>−

−

≤⋅

=

ppb

bp

pp

p

t

ttgdytt

t)(tq

ttgdyt

tq

h

gdzie:

ht – rzędne hydrogramu jednostkowego [m3·s-1],

t – czas [h],

qp – przepływ kulminacyjny [m3·s-1],

tp – czas wystąpienia kulminacji [h].

tb – czas trwania hydrogramu jednostkowego [h].

Hydrogramu jednostkowy Snydera

Hydrogram odpływu ze zlewni potoku Czechowickiego

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

Wys

okość

op

ad

u P

, H [m

m]

Opad całkowity

Opad efektywny

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36

Czas t [h]

Prz

ep

ływ

Q [m

3 s-1

]

Qmax, p=1% = 27,1 m3 s-1

V1% = 473 000 m3

P p=1% = 100 mm

d1,6

q1,1470,402

d1,6

Ihγ 2/3s

m

+=⋅⋅

gdzie:hm – graniczna głębokość wody w m,

gdzie:

γ – ciężar właściwy wody w N/m3,

h – głębokość wody w m,

I – spadek zwierciadła wody,

dm – średnica miarodajne rumowiska w mm,

qs – przepływ rumowiska w N/s na 1 m szerokości koryta.

Iγ

d1,60,402h m

m ⋅⋅=

Głębokość graniczną ruchu rumowiska (qs = 0)

Ruchu rumowiska

Uproszczony wzór Mayera-Petera i Millera

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

101001000

Średnica oczek sita d [mm]

Zaw

artość

frak

cji o

śred

nicy

wie

ksze

j niż d

[%]

żwirowakamienistaF R A K C J E

d m = 80,9 mm

Krzywa uziarnienia rumowiska

Bezużyteczną rzeczą jest uczyć się

lecz nie myśleć,

a niebezpieczną myśleć,

a nie uczyć się niczego.

(Przysłowie chińskie)