Biuro Prognoz Hydrologicznych w Krakowie

Transkrypt

1 INSTYTUT METEOROLOGII I GOSPODARKI WODNEJ PAŃSTWOWY INSTYTUT BADAWCZY ul. Piotra Borowego Kraków Weryfikacja obliczeń charakterystyk hydrologicznych i odpowiadających im rzędnych zwierciadła wody dla rzeki Wisłoki w profilach w kilometrze oraz Wykonawcy: mgr Marta Cygan Kierownik Biura Prognoz Hydrologicznych w Krakowie Dyrektor IMGW PIB mgr Agnieszka Malota mgr Jan Sadoń Styczeń 2012

2 Spis treści: 1. Podstawa opracowania 3 2. Materiały wejściowe 3 3. Zakres prac kameralnych 3 4. Charakterystyka hydrograficzna zlewni rzeki Wisłoki pomiędzy profilami wodowskazowymi Łabuzie i Mielec Charakterystyka stacji wodowskazowych Łabuzie i Mielec 2 na rzece Wisłoce5 6. Obliczenie wartości wyznaczonych przepływów w profilach wodowskazowych Łabuzie i Mielec 2 na Wisłoce 6 7. Przeniesienie obliczonych wartości przepływów z przekrojów wodowskazowych do przekrojów obliczeniowych 9 8. Określenie rzędnych zwierciadła wody odpowiadających obliczonym wartościom przepływów Literatura Informacje dodatkowe Rysunki 14 Zamawiający po otrzymaniu danych nie ma prawa do dalszej ich redystrybucji, powielania, odstępowania i odsprzedaŝy, rozpowszechnianie i wykorzystanie danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej moŝliwe jest wyłącznie do celów określonych w zleceniu otrzymanym przez Państwowego Instytutu Badawczego, w przypadku, kiedy Zamawiający zamierza wykorzystać otrzymane dane do realizacji kolejnej pracy, musi ponownie złoŝyć zlecenie do Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego, wykorzystujący udostępnione dane zobowiązany jest do zamieszczenia we własnym opracowaniu klauzuli: Dane pochodzą ze zbiorów Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego. 2

3 1. Podstawa opracowania Podstawą opracowania Weryfikacja obliczeń charakterystyk hydrologicznych i odpowiadających im rzędnych zwierciadła wody dla rzeki Wisłoki w profilach w kilometrze oraz było zlecenie Naczelnej Organizacji Technicznej Rady w Rzeszowie. Obliczone wartości wykorzystane zostaną w zadaniu Zabezpieczenie przeciwpowodziowe obszarów zalewowych połoŝonych na prawym brzegu rzeki Wisłoki w km na terenie miejscowości Dębica i Kędzierz, woj. podkarpackie. 2. Materiały wejściowe Danymi wejściowymi zebranymi dla potrzeb realizacji zadania były: materiały zgromadzone w zasobach archiwalnych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego w Oddziale Kraków, ortofotomapa z lokalizacją przekrojów obliczeniowych oraz ich kilometraŝ dostarczone do IMGW-PIB w 2010 roku. 3. Zakres prac kameralnych W trakcie prac kameralnych wykonano: a) obliczono przepływy maksymalne o prawdopodobieństwie przewyŝszenia: 0,1 %, 0,3 %, 0,5 %, 1 %, 2 %, 3 % i 5 % dla rzeki Wisłoki w profilach wodowskazowych Łabuzie (kilometr ) i Mielec 2 (kilometr ), b) metodą interpolacji obliczono wartości przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia dla profili rzeki Wisłoki w kilometrze i (kilometraŝ według Zleceniodawcy) 3

4 c) wyznaczono rzędne zwierciadła wody odpowiadające obliczonym wcześniej wartościom przepływów w profilach obliczeniowych Wisłoki wg krzywych natęŝenia przepływu z roku Charakterystyka hydrograficzna zlewni rzeki Wisłoki pomiędzy profilami wodowskazowymi Łabuzie i Mielec 2 Pomiędzy profilami wodowskazowymi Łabuzie (km ) i Mielec 2 (km ), Wisłoka przyjmuje kilka waŝnych dopływów. Są to kolejno: Chotowski Potok (lewobrzeŝny, uchodzi w kilometrze [1] i zamyka zlewnię o powierzchni 66,52 km 2 ) [3], Grabinianka (lewobrzeŝny, uchodzi w kilometrze [1] i zamyka zlewnię o powierzchni 218,88 km 2 ) [3], Wielopolka (prawobrzeŝny, uchodzi w kilometrze [1] i zamyka zlewnię o powierzchni 484,55 km 2 ) [3], Tuszymka (prawobrzeŝny, uchodzi w kilometrze [1] i zamyka zlewnię o powierzchni 138,29 km 2 ) [3]. PoniŜej profilu wodowskazowego Łabuzie lewostronna część zlewni Wisłoki połoŝona jest w Kotlinie Sandomierskiej, prawostronna zaś (do ujścia Grabinianki) w obrębie Pogórza StrzyŜowskiego. Na obszarze Kotliny Sandomierskiej szerokość doliny Wisłoki wynosi około 5 km. Pod względem geologicznym w tej części zlewni Wisłoki dominują utwory czwartorzędowe [2]. Są to głównie mady, piaski i Ŝwiry rzeczne oraz miejscami lessy i gliny zwałowe. Na południe od miejscowości Dębica, głównie w prawej części zlewni, występują ponadto kredowe utwory fliszu karpackiego margle, wapienie, piaskowce i zlepieńce. Na takim podłoŝu wykształciły się głównie gleby o duŝej przepuszczalności, rdzawe i bielicowe, wytworzone z piasków i Ŝwirów (w części zlewni na północ od Dębicy) oraz gleby średnio przepuszczalne, płowe, brunatne wyługowane, odgórnie oglejone, wytworzone z piasków gliniastych i pyłów (w części zlewni na południe od Dębicy) [2]. 4

5 Omawiany fragment zlewni Wisłoki naleŝy do regionu klimatu kotlin podgórskich, a dokładnie Kotliny Sandomierskiej. Jest to klimat ciepły i umiarkowanie suchy, ze średnią temperaturą roczną 8 O C i średnią roczną sumą opadów zawierającą się w przedziale mm [5]. Profile obliczeniowe na rzece Wisłoce znajdują się pomiędzy profilami wodowskazowymi Łabuzie i Mielec 2 mającymi długie ciągi przepływów, będących podstawą obliczeń. Profil leŝy powyŝej ujścia Grabinianki, profil poniŝej tego ujścia. Szkice sytuacyjne z lokalizacją profili obliczeniowych na rzece Wisłoce zamieszczono na rysunkach 1 i Charakterystyka stacji wodowskazowych Łabuzie i Mielec 2 na rzece Wisłoce Stacja wodowskazowa Łabuzie zlokalizowana jest w zlewni Wisły w kilometrze rzeki Wisłoki [1] i zamyka zlewnię o powierzchni 2552,73 km 2 [3]. Rzędna zera wodowskazu wynosi 184,667 m n.p.m. w układzie Kronsztadt. Wodowskaz połoŝony jest na lewym brzegu Wisłoki około 80 m powyŝej mostu drogowego na trasie Pilzno - Dębica. Składa się z dziewięciu łat wodowskazowych o łącznym zakresie od 0 do 920 cm. Obecnie stacja wyposaŝona jest w czujnik rejestrujący stan wody. Wodowskaz został załoŝony w 1867 roku w profilu mostu drogowego [4]. Z rocznika hydrologicznego z 1900 roku wynika, Ŝe połoŝenie zera znajdowało się na rzędnej 191,238 m Adr., a w latach na rzędnej 191,258 m Adr. W roku 1941 zero wodowskazu obniŝono o 2 metry i po raz drugi o 1 metr w 1964 roku, a więc na rzędną 188,253 m Adr. Od 1966 roku publikowana jest rzędna w odniesieniu do układu Kronsztadt 187,667 m. W 1980 roku wodowskaz przeniesiono około 80 m powyŝej mostu, bez zmiany rzędnej ze względu na minimalny spadek. W 1981 roku zero wodowskazu obniŝono o dalszy 1 metr tj. na 5

6 rzędną 186,667 m Kr., a w dniu 1 listopada 2011 roku o 2 metry na rzędną 184,667 m Kr. Około 1,5 km powyŝej wodowskazu znajduje się stopień wodny w miejscowości Mokrzec. Przepływy przy stanach niskich i średnich regulowane są prowadzoną tam gospodarką wodną. Stacja wodowskazowa Mielec 2 znajduje się w kilometrze rzeki Wisłoki. Zamyka zlewnię o powierzchni 3887,79 km 2, a rzędna zera wynosi 161,406 m Kr. Wodowskaz składa się z jednej łaty o zakresie od cm. Wodowskaz w Mielcu załoŝony został w roku 1887 przy moście drogowym na trasie Mielec Tarnów [4]. Na przestrzeni lat jego lokalizacja i wartość zera ulegały kilkakrotnie zmianom. Początkowo rzędna zera wynosiła 163,035 m Adr. Utrzymywała się ona do roku Wprawdzie w latach oraz publikowano rzędną o 4 cm niŝszą, ale wynikało to prawdopodobnie z błędnej niwelacji. W 1941 roku obniŝono rzędną zera wodowskazu o 2 m. Po nawiązaniu jej do sieci niwelacji państwowej w układzie Kronsztadt uzyskano wartość 160,442 m. W 1970 roku wodowskaz przeniesiono 70 m w dół rzeki do profilu nowo wybudowanego limnigrafu. Przed likwidacją wodowskazu Mielec 1, w kwietniu 1992 roku, znajdował się on w wolnym profilu w kilometrze , zamykał zlewnię o powierzchni 3915,3 km 2, a rzędna zera miała wartość 158,410 m Kr. Dnia roku uruchomiono wodowskaz Mielec 2. Zlokalizowany został 900 metrów poniŝej starego wodowskazu w profilu stacji pomp ujęcia wody dla Mielca, w miejscowości Wojsław na brzegu prawym. Obserwacje w profilu wodowskazowym Mielec 2 są kontynuacją obserwacji w profilu Mielec. Obecnie stacja wyposaŝona jest w czujnik rejestrujący stan wody. 6. Obliczenie wartości wyznaczonych przepływów w profilach wodowskazowych Łabuzie i Mielec 2 na Wisłoce Obliczenia przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia dla profili wodowskazowych Łabuzie i Mielec 2 na rzece Wisłoce 6

7 wykonano na podstawie ciągów historycznych przepływów maksymalnych rocznych zestawionych dla tych przekrojów. PIB dysponuje ciągami przepływów maksymalnych rocznych dla przekroju wodowskazowego Łabuzie z okresu hydrologicznego , a dla profilu Mielec z okresu Ilość elementów ciągów przepływów maksymalnych rocznych wynosi odpowiednio 55 i 60. W przypadku, gdy ilość elementów ciągu rozdzielczego przepływów maksymalnych przekracza 30 elementów, do obliczeń wielkich wód prawdopodobnych stosuje się metody statystyczne. Metoda ta, wykorzystuje wieloletnie dane pomiarowe i opiera się na załoŝeniu, Ŝe maksymalne przepływy roczne podlegają określonemu rozkładowi prawdopodobieństwa, a parametry tego rozkładu szacuje się na podstawie próby losowej, czyli serii maksymalnych przepływów rocznych zaobserwowanych w przeszłości [7, 8, 9, 10]. Dla tak zestawionych ciągów danych sprawdzono i wyeliminowano błędy niejednorodności pomiarowej i czasowej poprzez badanie ich niejednorodności metodami statystycznymi: - wykrywania tzw. elementów odstających przy wykorzystaniu testu Grubbsa-Becka, - badania niezaleŝności poszczególnych elementów ciągu przepływów maksymalnych przy zastosowaniu testu serii, - testem sumy rang Kruskala Wallisa, - testem współczynnika korelacji rangowej Spearmana na trend zmiennej losowej, - testem współczynnika korelacji rangowej Spearmana na trend wariancji zmiennej losowej. Na podstawie badania stwierdzono, Ŝe ciągi maksymalnych przepływów rocznych uformowane na podstawie istniejących materiałów hydrologicznych stanowią ciągi jednorodne dla stacji wodowskazowej Łabuzie z okresu hydrologicznego , a dla stacji Mielec 2 z okresu hydrologicznego

8 Obliczenie przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia przeprowadzano według następującego schematu: za modele właśności statystycznych ciągów ekstremów rocznych przyjęto następujące typy rozkładów prawdopodobieństwa: - rozkład Pearsona III typu, - rozkład logarytmiczno normalny, - rozkład Gumbela, - rozkład Johnsona, - rozkład GEV. dla wszystkich rozkładów przyjęto warunek, Ŝe dolne ograniczenie mieści się w granicach <0, najmniejsza wartość przepływu maksymalnego zestawionego ciągu>, estymacja parametrów przeprowadzana jest metodą największej wiarygodności, testowanie hipotezy zgodności teoretycznej funkcji rozkładu prawdopodobieństwa z rozkładem empirycznym testem χ 2 Pearsona, na poziomie α = 0.05, najbardziej wiarygodny rozkład prawdopodobieństwa, z grupy rozkładów najlepiej dopasowanych wybierany jest przy uŝyciu kryterium informacyjnego Akaike. wyznaczana jest górna granica przedziału błędu wynikającego z losowości ciągu przepływów maksymalnych rocznych na poziomie P α =0,84, Dla profilu Mielec do obliczeń wykorzystano rozkład Pearsona III typu, a dla stacji Łabuzie rozkład logarytmiczny normalny, które uznano za najbardziej wiarygodne spośród rozkładów niesprzecznych. 8

9 7. Przeniesienie obliczonych wartości przepływów z przekrojów wodowskazowych do przekrojów obliczeniowych Profile w kilometrze i (według kilometraŝu Zleceniodawcy) na rzece Wisłoce usytuowane są pomiędzy profilami wodowskazowymi Łabuzie a Mielec 2. Profil leŝy powyŝej ujścia Grabinianki, profil poniŝej tego ujścia. W sytuacji, gdy występuje brak informacji o przepływach w przekrojach projektowanych obiektów, (jak w tym przypadku), istnieje konieczność przenoszenia wartości przepływów z wodowskazów sąsiednich. Wielkości przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia w omawianych profilach obliczeniowych rzeki Wisłoki wyznaczonych przez Zleceniodawcę obliczono metodą zmiany przepływów w funkcji wielkości powierzchni zlewni (metoda interpolacji). W metodzie tej zakłada się, Ŝe przepływy charakterystyczne zmieniają swoją wartość liczbową w funkcji wielkości powierzchni zlewni zgodnie z zaleŝnością [6]: Q obliczany = Q znany A obliczany A znany n gdzie: Q obliczany wartość charkterystyki przepływu w przekroju obliczeniowym, Q znany wartość charkterystyki przepływu w przekroju wodowskazowym, A obliczany wielkość powierzchni zlewni zamkniętej przekrojem obliczeniowym, A znany wielkość powierzchni zlewni zamkniętej przekrojem wodowskazowym, n parametr empiryczny, dla którego wartość ustalana jest dla określonego odcinka rzeki i dla określonego przepływu charakterystycznego. Wartość parametru n obliczana jest z zaleŝności: n = ln ln Q A g g ln ln Q A d d gdzie: Q g wartość charakterystyki przepływu w górnym przekroju wodowskazowym (Łabuzie), 9

10 Q d wartość charakterystyki przepływu w dolnym przekroju wodowskazowym (Mielec 2), A g wielkość powierzchni zlewni zamkniętej górnym przekrojem wodowskazowym (Łabuzie), A d wielkość powierzchni zlewni zamkniętej dolnym przekrojem wodowskazowym (Mielec 2). Wyniki obliczeń zestawiono w tabelach 1 i 2. Tab. 1. Maksymalne przepływy o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia p % dla profilu w kilometrze na rzece Wisłoce. Prawdopodobieństwo Przepływ maksymalny Przedział ufności p[%] Q max,p [m 3 /s] Q [m 3 /s] , , , Tab. 2. Maksymalne przepływy o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia p % dla profilu w kilometrze na rzece Wisłoce. Prawdopodobieństwo Przepływ maksymalny Przedział ufności p[%] Q max,p [m 3 /s] Q [m 3 /s] , , ,

11 8. Określenie rzędnych zwierciadła wody odpowiadających obliczonym wartościom przepływów Na podstawie obliczonych w roku 2011 krzywych natęŝenia przepływu, nie weryfikowanych pomiarami w dolnej części, w profilach w kilometrze i (według kilometraŝu Zleceniodawcy) rzeki Wisłoki odczytano rzędne zwierciadła wody odpowiadające przepływom maksymalnym o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia. Wyniki zestawiono w tabelach 3 i 4. Tab.3. Zestawienie rzędnych odpowiadających przepływom maksymalnym o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia w profilu w kilometrze rzeki Wisłoki. Prawdopodobieństwo przewyŝszenia p[%] Przepływ maksymalny Q max,p [m 3 /s] Rzędna [m n.p.m.] , , , ,75 0, ,09 0, === 0, === Uwaga: === oznacza brak moŝliwości wyznaczenia rzędnej w dostarczonym przekroju Tab.4. Zestawienie rzędnych odpowiadających przepływom maksymalnym o określonym prawdopodobieństwie przewyŝszenia w profilu w kilometrze rzeki Wisłoki. Prawdopodobieństwo p[%] Przepływ maksymalny Q max,p [m 3 /s] Rzędna [m n.p.m.] , ,49 11

12 , ,16 0, ,53 0, === 0, === Uwaga: === oznacza brak moŝliwości wyznaczenia rzędnej w dostarczonym przekroju 12

13 9. Literatura 1. Praca zbiorowa, Podział hydrograficzny Polski, cz. I, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa. 2. Praca zbiorowa, Atlas Hydrologiczny Polski, tom 1, Wyd. Geolog., Warszawa. 3. Praca zbiorowa, Atlas podziału hydrograficznego Polski, cz. II, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa. 4. Praca zbiorowa, Wodowskazy na rzekach Polski. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa. 5. Dorzecze górnej Wisły, Praca zbiorowa, cz.i, PWN, Warszawa-Kraków, Ozga- Zielińska M., Brzeziński J., Hydrologia stosowana. PWN, Warszawa. 7. Praca zbiorowa pod red. Stachy J., 1991: Zasady obliczania maksymalnych rocznych przepływów rzek polskich o określonym prawdopodobieństwie pojawiania się, IMGW, Warszawa, seria Instrukcje i podręczniki 8. Ozga-Zielińska M., Brzeziński J., Hydrologia stosowana. PWN, 9. Byczkowski A., 1999: Hydrologia, t. I, SGGW, Warszawa 10. Byczkowski A., 1972: Hydrologiczne podstawy projektowania budowli wodno melioracyjnych, PWRL, Warszawa 10. Informacje dodatkowe mgr Marta Cygan kwalifikacje do wykonywania dokumentacji hydrologicznych nr 05/