1.1. RODZAJE DANYCH HYDROLOGICZNYCH I MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE

Transkrypt

1 Ozga-Zielińska M., Brzeziński J., Hydrologia stosowana. PWN. Warszawa I. Analiza danych hydrologicznych 1.1. RODZAJE DANYCH HYDROLOGICZNYCH I MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE WPROWADZENIE W hydrologii inżynierskiej dotychczas są stosowane głównie statystycznych obliczeń. Metody te wymagają długich ciągów pomiarowych, z których wydobywana jest informacja na potrzeby działalności inżynierskiej w zakresie planowania, projektowania i eksploatacji. Hydrologia wykorzystuje ciągi pomiarowe nie tylko zjawisk typowo hydrologicznych, ale również zjawisk z pogranicza hydrologii i meteorologii, dotyczących przede wszystkim wymiany wody miedzy atmosferą i powierzchnią ziemi oraz informacje fizjograficzną, hydrogeologiczną i o sianie zagospodarowania zlewni. Głównym źródłem hydrometeorologicznej informacji pomiarowej są publikacje Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, który prowadzi pomiary na obszarze całego kraju. Poza 1MGW niektóre instytucje {szkoły wyższe, instytuty badawcze, ewentualnie duże zakłady przemysłowe) prowadzą pomiary we własnym zakresie i na własne potrzeby. Są to na ogól pomiary elementów hydro-meteorologicznych objętych standardowym programem IMGW oraz pomiary specjalne nie prowadzone przez IMGW. Pomiary te wykonywane są najczęściej na małych obszarach, a ponadto są praktycznie niedostępne dla innych użytkowników, głównie z uwagi na brak informacji o ich prowadzeniu. Standardowe pomiary hydrologiczne prowadzone przez IMGW obejmują wody powierzchniowe, tzn. rzeki i jeziora, oraz wody podziemne, głównie strefę saturacji. Pomiary te prowadzone są na stacjach (posterunkach) wodowskazowych na rzekach i jeziorach oraz posterunkach pomiarowych wód podziemnych. Natomiast wykorzystywane w hydrologii pomiary meteorologiczne to głównie pomiary standardowe wykonywane na stacjach i posterunkach meteorologicznych oraz posterunkach opadowych. W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój zastosowań w meteorologu i hydrologii zdalnych technik pomiarowych, a mianowicie teledetekcji radarowej, lotniczej i satelitarnej, a ostatnio również technik wideo. Techniki te są już obecnie szeroko wykorzystywane w codziennej służbie prognoz meteorologicznych, jak również w prognozach hydrologicznych. Ponieważ prognozy nie są przedmiotem niniejszego podręcznika, w rozdziale podano jedynie krótką informacje dotyczyły ogólnych zasad i nowości pomiarowych tych technik oraz wykorzystania ich w hydrologii inżynierskiej. Istotne znaczenie, szczególnie przy opracowywaniu matematycznych modeli zjawisk hydrologicznych metodami genetycznymi (rozdz. 2.1), ma informacja o charakterystykach fizyczno geograficznych zlewni, o ich przestrzennym rozkładzie zmienności. Głównym źródłem tej informacji są systemy informacji geograficznej G1S (Geographical Information Systems). Systemy te mają zasięg ogólnoświatowy lub są tworzone w poszczególnych krajach. Informacja umieszczana w bazach danych tych systemów jest uzyskiwana zarówno z pomiarów naziemnych, jak i teledetekcyjnych, głównie lotniczych, a ostatnio coraz czyściej satelitarnych. Krótkie omówienie sposobów tworzenia systemów informacji geograficznej, zawartych w nich danych oraz korzystania z nich podano w rozdziale RODZAJE ELEMENTÓW MIERZONYCH Na poszczególnych rodzajach stacji IMGW wykonywane są następujące pomiary: Stacje wodowskazowe na rzekach:

2 stany wody [cm], przepływy wody (m 3 /s), temperatura wody [ 0 C], rumowisko unoszone g/cm 3 ], zjawiska sezonowe (zjawiska lodowe, zjawiska zarastania koryta) skład chemiczny wody. Stacje wodowskazowe na jeziorach: stany wody (cm], temperatura wody [ C], zjawiska lodowe. Posterunki wód podziemnych: stany wód gruntowych [cm], temperatura wody [ C]. Posterunki pomiaru źródeł: wydajność źródeł [l/s]. stany wody (dla dużych źródeł) [cm], temperatura wody [ 0 C]. Stacje i posterunki meteorologiczne: ciśnienie atmosferyczne [hpa], temperatura powietrza ["C], wilgotność powietrza (prężność pary wodnej) [hpa], parowanie wody (w klatce meteorologicznej) [mm], kierunek wiatru (symbol szesnastokierunkowej róży wiatrów), prędkość wiatru (m/s], opad atmosferyczny [mm]. grubość pokrywy śnieżnej [cm], zawartość wody w śniegu (gęstość śniegu) [g/cm 3 ], temperatura gruntu [ C]. głębokość zamarzania gruntu [cm], chmury, usłonecznienie i inne elementy pogody. Posterunki opadowe: opad atmosferyczny [mm], wysokość pokrywy śnieżnej [cm], zapas wody w śniegu [g]. Wymienione rodzaje pomiarów stanowią pomiary standardowe prowadzone w podstawowej sieci stacji IMGW, chociaż nie na wszystkich stacjach są one wykonywane w pełnym zakresie (nie wszystkie rodzaje pomiarów). Poza tymi pomiarami są wykonywane pomiary specjalne w obserwatoriach oraz na stacjach hydrologicznych, meteorologicznych, klimatycznych, badań specjalnych, rolniczo-meteorologicznych, rolniczo-doświadczalnych, fenologiczny i innych. Z punktu widzenia potrzeb hydrologii pomiary specjalne dotyczą najczęściej: parowania z wody ewaporometrarni lądowymi i pływającymi na tratwach, parowania z powierzchni gruntu, roślin, śniegu, wilgotności gruntu, infiltracji, elementów bilansu cieplnego ŹRÓDŁA INFORMACJI HYDROLOGICZNEJ Źródła informacji wykorzystywane w opracowaniach hydrologicznych można podzielić na cztery rodzaje: podstawowa informacja pomiarowa,

3 informacja pomiarowa przetworzona, opracowania hydrologiczne, prace metodyczne i podręczniki. Podstawową informacje pomiarową stanowią publikowane i niepublikowane wyniki pomiarów. IMGW publikuje roczne zestawienia wyników pomiarów w następującej postaci: Rocznik hydrologiczny wód powierzchniowych dorzecza Wisty i rzek Przymorza na wschód od Wisły, Rocznik hydrologiczny wód powierzchniowych dorzecza Odry i rzek Przymorza między Odrą i Wisłą, Rocznik hydrologiczny wód podziemnych, Rocznik meteorologiczny, Opady atmosferyczne, Wyniki pomiarów hydrometrycznych (od 1961 r. w postaci rocznych publikacji). Poniżej podano rodzaj czynników hydro-meteorologicznych, których wyniki pomiarów są zamieszczone w poszczególnych rodzajach roczników. Podano również przedziały czasu w jakich wykonywane są pomiary poszczególnych elementów lub okresy, dla których są one uśrednione. Liczbę stacji pomiarowych podano według stanu przeciętnego w latach osiemdziesiątych. Liczba stacji w poszczególnych latach może ulegać niewielkiej zmianie ze względu na likwidacje niektórych bądź zakładanie nowych stacji. Roczniki wód powierzchniowych (dorzecze Wisły ok. 690 stacji, dorzecze Odry ok. 40 stacji, w tym ok. 300 limnigrafów, ok. 250 stacji pomiaru temperatury, ok. 90 stacji pomiaru unoszenia) zawierają: codzienne stany wody na rzekach i jeziorach. stany charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne) miesięczne i roczne, zjawiska lodowe. - przepływy codzienne i charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne) miesięczne i oczne, przepływy o określonym czasie trwania, - wskaźniki miesięczne i roczne opadu i odpływu, temperatury wody codzienne i charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne) miesięczne i roczne, rumowisko unoszone (zmącenie i transport) wartości codzienne, miesięczne Wyniki pomiarów hydrometrycznych wydawane od 1961 r. w postaci rocznych zbiorów {rocznie ok pomiarów przepływów i ok. 500 pomiarów unoszenia) zawierają: wyniki pomiarów przepływu (data pomiaru, stan wody, natężenie przepływu, powierzchnia przekroju poprzecznego, szerokość zwierciadła wody, głębokość średnia i największa, prędkość średnia i największa, spadek zwierciadła wody), wyniki wielopunktowych pomiarów unoszenia (data pomiaru, stan wody, przepływ wody, powierzchnia przekroju, głębokość średnia, prędkość średnia, unoszenie, zmącenie). Roczniki wód podziemnych (ok posterunków, w tym ok. 60 posterunków pomiaru temperatury wody, ok. 40 posterunków pomiaru źródeł) zawierają: stany wód podziemnych tygodniowe i charakterystyczne (średnie miesięczne i roczne); codzienne i charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne miesięczne i roczne), temperatury wód podziemnych tygodniowe i charakterystyczne (średnie miesięczne i roczne); codzienne i charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne miesięczne i roczne), wydajności źródeł codzienne lub co kilka dni, charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne miesięczne i roczne); stany wody codzienne i charakterystyczne (średnie, maksymalne i minimalne miesięczne i roczne), temperatury źródeł codzienne i charakterystyczne (średnie, maksymalne

4 Roczniki opadów atmosferycznych (ok posterunków opadowych, a łącznie ze stacjami i posterunkami meteorologicznymi i innymi ok punktów pomiarowych) zawierają: dobowe wysokości opadów (dla wybranych stacji), miesięczne i roczne sumy opadów, maksymalne wartości dobowe opadów i dat> icli wystąpienia, liczby dni z opadem (ź- 0,1 mm; ^ 1,0 mm: ^ 10,0 mm), liczby dni z burzą, wysokości opadów pomierzone za pomocą lokalizatorów, dobowe wysokości pokrywy śnieżnej (dla wybranych stacji), maksymalne wysokości pokrywy śnieżnej i liczb? dni z pokrywą (w po szczególnych miesiącach i w roku). daty wystąpienia i zaniku pokrywy śnieżnej, zapas wody w śniegu, wykaz ulew i deszczy na walnych. Roczniki Meteorologiczne (ok. 400 stacji i posterunków) zawierają: wartości codzienne dla wybranych stacji: ciśnienia atmosferycznego, temperatury powietrza, wilgotności względnej, niedosytu wilgotności, zachmurzenia, kierunku i prędkości wiatru, opadów atmosferycznych, grubości pokrywy śnieżnej, usłonecznienia, wartości miesięczne i roczne powyższych elementów, liczbę dni z temperaturą minimalną (< 0 C; < -10 C), maksymalną (< 0 0 C; > 25 C); opadem (> O,1 mm; > 1,0 mm; > 10,0 mm); wiatrem o prędkości (> 10 m/s; > 15 m/s), daty ostatniego i pierwszego przymrozku. W Archiwum IMGW, poza podanymi publikowanymi materiałami pomiarowymi, znajdują się obszerne materiały niepublikowane. Są one udostępniane indywidualnie użytkownikom. W Archiwum znajduj;; się miedzy innymi: dzienniki obserwacji stanów wody wraz z pomiarami temperatury wody i obserwacjami zjawisk lodowych i zarastania, dzienniki obserwacji stanów i temperatury wód podziemnych, raptularze pomiarów przepływu, dzienniki meteorologiczne, dzienniki klimatologiczne, dzienniki pomiaru temperatury gruntu, paski wszystkich samopisów, między innymi pluwiogramy i limnigramy. W ostatnich latach w IMGW opracowano komputerowe systemy informatyczne w postaci Bazy Danych Meteorologicznych i Bazy Danych Hydrologicznych, które są sukcesywnie rozbudowywane i uzupełniane. Z baz tych materiały są udostępniane użytkownikom. Informacja pomiarowa przetworzona obejmuje publikacje różnego rodzaju charakterystyk hydrologicznych obliczonych na podstawie wyników pomiarów oraz opracowania w postaci map. Przykładem lego rodzaju publikacji są wydawnictwa IMGW: Przeplywy charakterystyczne rzek Polski wydawane co 5 lat, Atlas Hydrologiczny Polski, Alias Opadów Atmosferycznych, Zmącenie wody i transport rumowiska unoszonego w rzekach polskich, - Podział hydrograficzny Polski, Wodowskazy na rzekach Polski. Przykładami map najczęściej wykorzystywanych w hydrologii są mapy: topograficzne, gleb, zalesienia, rodzaju upraw, geologiczne. Poza wymienionymi mapami opracowanymi przez specjalistów z różnych dziedzin, są

5 wykonywane przez hydrologów mapy ilustrujące przestrzenną zmienność różnorodnych charakterystyk hydrologicznych. Są one najczęściej przedstawiane w postaci izolinii lub wydzielonych obszarów o jednakowych wartościach badanej charakterystyki. Przykładem tego typu charakterystyki mogą być mapy: izolinii spływów jednostkowych różnych przepływów charakterystycznych, izolinii elementów bilansu wodnego, izolinii współczynnika odpływu, rozkładu wskaźników denudacji, podziału na regiony jednorodne pod kątem określonej cechy itp. Opracowania hydrologiczne maja bardzo zróżnicowany charakter i stanowią zarówno opracowania wykonane przy wykorzystaniu materiału pomiarowego, jak i prace O charakterze bardziej teoretycznym. Te pierwsze dotyczą głównie opracowań regionalnych, ustalania nowych zależności empirycznych (regresyjnych) lub weryfikacji dotychczas stosowanych albo też różnego rodzaju opracowań statystycznych materiału pomiarowego. Opracowania tego rodzaju publikowane są najczęściej w wydawnictwach instytutów naukowo-badawczych oraz rzadziej w czasopismach naukowych. Dominująca rolę w tym zakresie odgrywa Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (b. PIHM) wydający aktualnie w zakresie hydrologii Materiały badawcze: seria: Hydrologia i Oceanologia (od 1973 r.), oraz od 1974 r. Prace IMGW, a wcześniej do roku 1973 Prace PIUM. Do pierwszego rodzaju opracowań zaliczyć można również opracowania monograficzne. Są to kompleksowe opisy warunków geologicznych, fizjograficznych, meteorologicznych i hydrologicznych zlewni wybranych rzek lub regionów oraz zbiorników wodnych. Opracowania drugiego rodzaju, o charakterze prac metodycznych, często ilustrowane przykładami liczbowymi wykorzystującymi pomiary IMGW lub własne autorów, znaleźć można w periodycznym wydawnictwie IMGW Wiadomości instytutu Meteorologu i Gospodarki Wodnej (kwartalnik), wydawanym uprzednio w latach pt. Wiadomości Meteorologii i Gospodarki Wodnej, a jeszcze wcześniej do 1973 r. pt. Wiadomości Służby Hydrologicznej i Meteorologicznej. Wydawnictwa nieperiodyczne 10: Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN, Seminaria instytutu Inżynierii Środowiska PW, Zeszyty Naukowe szkól wyższych (uniwersytetów, politechnik, akademii rolniczych, w których prowadzone są zajęcia dydaktyczne z hydrologii, Wiadomości Instytutu Melioracji i Użytków Zielonych, oraz materiały z konferencji i sympozjów krajowych i zagranicznych. Z czasopism naukowych należy wymienię: organ Polskiego Towarzystwa Geofizycznego Przegląd Geofizyczny (kwartalnik) wydawany do 1955 r. pt. Przegląd Meteorologiczny i Hydrologiczny, Acta Geophysica Polonica (kwartalnik) wydawnictwo PAN. Archiwum Hydrotechniki (kwartalnik) wydawnictwo Instytutu Budownictwa Wodnego PAN, Gospodarka Wodna (miesięcznik) wydawnictwo NOT ora/ Journal of Hydrological Sciences (kwartalnik w jeżyku angielskim) organ Komitetu Gospodarki Wodnej PAN wydawany w okresie Z licznych czasopism zagranicznych na szczególną uwagę zasługują następujące czasopisma o zasięgu międzynarodowym: - Journal of Hydrology, Amsterdam, Waler Resources Research, wydawane przez American Geophisical Union. Nordic Hydrology, Kopenhaga, Trudy Gosudarstwiennogo Gidrologiczeskogo Instituta (GGI), Leningrad, Meteorologija i gidrologia, Moskwa. Prace metodyczne i podręczniki sianowi;] różnego rodzaju instrukcje, wytyczne, przewodniki, poradniki, a także podręczniki typu akademickiego lub dla specjalistów praktyków oraz prace i artykuły naukowe. Są to wydawnictwa nieperiodyczne instytutów nauk owo-badawczych, biur

6 projektów, szkól wyższych, ministerstw, wydawane we własnym zakresie lub przez wyspecjalizowane wydawnictwa (PWN, WNT, Arkady). Dużo pozycji tego rodzaju wydawanych jest przez IMGW w serii instrukcje i podręczniki. Zakres tematyczny tych publikacji jest bardzo szeroki, obejmujący instrukcje prowadzenia obserwacji i pomiarów elementów hydrologicznych i meteorologicznych, przeprowadzania obliczeń, a także podręczniki dla pracowników i studentów. Istotną rolę w normowaniu metod prowadzenia pomiarów, obliczeń hydrologicznych różnych opracowań hydrologicznych odgrywają wydawnictwa międzynarodowe, wydawnictwa Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO). Są to: Guide to hydrological praclices, WMO, No 168, Vol. I i II. oraz wydawnictwa seryjne: Operational Hydrology Reports, WMO, Technical Reports to t hę Commission for Hydrology, WMO, Technical Noie, WMO, Sludies and Reports in Hydrology, UNESCO. Draft ISO Recomendalion, ISO (International Organization for Standarization).