Wyzsza Szkola Administracji w Bielsku-Bialej SH P Stowarzyszenie Hydrologów Polskich Beniamin Więzik SEMINARIUM DANE HYDROLOGICZNE DO PROJEKTOWANIA UJĘĆ WÓD POWIERZCHNIOWYCH Warszawa 18 wrzesnia 2015 r.
Zakres: - Ocena zasobów dyspozycyjnych i eksploatacyjnych. - Rodzaje ujęć wody powierzchniowej. - Przepływy miarodajne i kontrolne. - Ruch rumowiska w obrębie ujęcia. - Podsumowanie.
Podstawowe definicje Zasoby dyspozycyjne wód powierzchniowych to odpływ w określonym czasie, możliwy do zagospodarowania przy uwzględnieniu warunków środowiskowych, bez wskazywania lokalizacji ujęcia wody. Zasoby eksploatacyjne wód powierzchniowych to objętość wody możliwa do pobrania w konkretnym przekroju cieku (przekroju ujęcia wody) w określonym czasie i ustaloną gwarancją, przy zachowaniu przepływu nienaruszalnego (hydrobiologicznego) i wymaganego.
Przepływ nienaruszalny i wymagany Przepływem nienaruszalnym jest przepływ odpowiadający granicznemu napełnieniu koryta cieku, przy którym zachowane są podstawowe procesy biologiczne ekosystemu wodnego. Przepływem wymaganym jest 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.
Wiejskie systemy zaopatrzenia w wodę
Przekrój 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 ) Planowana lokalizacja ujęcia wody
1 dm 3 s -1 = 85,4 m 3 d -1 854 mieszk.
Przepływ średni roczny - wzór Iszkowskiego (1886) Q sr = 0,03171c P A gdzie: Q sr przepływ średni roczny w m 3 s -1, c współczynnik odpływu (góry jak Beskidy, Wogezy c = 0,55), P wysokość opadu średniego rocznego (normalnego) w m, A powierzchnia zlewni w km 2. Przepływ średni niski Q 1 (SNQ) Q gdzie: ν - współczynnik retencji, = 0,4 ν 1 Q sr Przepływ nienaruszalny (potoki górskie) Zasoby eksploatacyjne Q nn = 1,52 Q 1 Q e = Q sr Q nn
Ujęcie wody na potoku górskim
Koryto powyżej ujęcie wody na potoku górskim
Koryto poniżej ujęcie wody na potoku górskim
Leśnianka (przekrój ujęcia) - Przepływ Q [m3s-1] Ujęcie wody potok Leśnianka Wodowskaz Żabnica 0,8 0,6 Analogia hydrologiczna (krzywa regresji) 0,4 0,2 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 Wodowskaz Żabnica - Przepływ Q [m3s-1] 0,4 0,5
Przepływ Q [m 3 s -1 ] 0,40 0,30 0,20 0,10 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1987 1986 1985 1984 1983 1982 1981 1980 1979 1978 1977 1976 1975 1974 1973 1972 1971 QQ e +Q nn 0,017 m 3 s -1 e + Q nn = 10,7 dm 3 s -1 0,00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Czas t [doby] Roczne krzywe sum czasów trwania przepływów wraz z wyższymi Przekrój ujęcia wody
1,0 Dystrybuanta rozkładu 0,8 0,6 0,4 0,2 1 2 3 4 5 Czasy trwania 1-365 dni 2-340 dni 3-310 dni 4-280 dni 5-250 dni 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Gwarancja 0,0 1 0,00 0,0107 0,02 0,04 0,06 0,08 Przepływ Q [m 3 s -1 ] Gwarancja przepływu eksploatacyjnego
Potok Cięcinka Potok Zimny Potok Kalonka Potok Hrobaczy
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
Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia (metoda największej wiarygodności) Prawdopodobieństwo przewyższenia - rozkład Pearsona (typ III) Q = ε + maxp% 1 α t p gdzie: ε - dolne ograniczenie przepływu w m 3 /s, α - parametr skali, t p - zmienna standaryzowana.
Prawdopodobieństwo empiryczne Epsylon = 1,0 Epsylon = 2,0 Epsylon = 3,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 Przepływ Q max p% [m 3 s -1 ] Rzeka Biała Wodowskaz Mikuszowice 20,0 0,0 100,0 10,0 1,0 0,1 Prawdopodobieństwo p [%] Krzywe prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia
Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia (metoda decyli) Prawdopodobieństwo przewyższenia - rozkład Pearsona (typ III) Qmax p% = Qmax 50% [ 1 + Φ(s, p) c ν ] gdzie: Q max p% - przepływy maksymalne roczne o prawdopodobieństwie p w m 3 /s, Q max 50% - przepływ środkowy o prawdopodobieństwie p = 50 % odczytany z wyrównanej krzywej empirycznej w m 3 /s, Φ(s,p)- funkcja zależna od współczynnika skośności s i prawdopodobieństwa p, c v - współczynnik zmienności.
200,0 Prawdopodobieństwo teoretyczne Prawdopodobieństwo empiryczne Przedział ufności MNW (1950-2001) 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 Przepływ Q max p% [m 3 s -1 ] 40,0 Rzeka Biała Wodowskaz Mikuszowice 20,0 0,0 100 10 1 0,1 Prawdopodobieństwo p [%] 240,0 220,0 200,0 180,0 100 CUGW (1950-2001) 10 Rzeka Biała Wodowskaz Mikuszowice 1 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0,1 Przepływ Qmax p% [m 3 /s] Krzywe prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia Prawdopodobieństwo p [%]
ZLEWNIE NIEKONTROLOWANE
Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia Formuła opadowa A < 50 km 2 Q f F ϕ H max, p%= 1 1% A λ p δ j gdzie: Q max, p% - przepływ maksymalny roczny o prawdopodobieństwie p w m 3 /s, f - bezwymiarowy współczynnik kształtu fali, F 1 - maksymalny moduł odpływu jednostkowego, ϕ - współczynnik odpływu, H 1% - maksymalny opad dobowy o prawdopodobieństwie 1% w mm, A - powierzchnia zlewni w km 2, λ p - kwantyl rozkładu dla założonego prawdopodobieństwa p, δ j - współczynnik redukcji jeziornej.
Hydromorfologiczna charakterystyka koryta Φ r = m I 1000 A 1/3 r1 1/4 (L + l) ( ϕ H 1% ) 1/4 gdzie: L+l długość cieku wraz z suchą doliną w km, m miara szorstkości koryta odczytana z tabeli, I r1 spadek cieku. Hydromorfologiczna charakterystyka stoków Φ s = m gdzie: l s średnia długość stoków w km, m s miara szorstkości stoków I s średni spadek stoków. s (1000 ls ) I ( ϕ H 1/4 s 1/2 1% ) 1/2
18,0 16,0 Potok Starobielski Przekrój ujściowy 14,0 Przepływ Q maxp% [m 3 /s] 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 100 80 60 50 40 30 20 10 8 6 5 4 3 2 Prawdopodobieństwo p [%] 1 Krzywa prawdopodobieństwa przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia
A > 50 km 2 gdzie: gdzie: Q max, p% = Q = % λ max, p Q max, p% - przepływ maksymalny roczny o prawdopodobieństwie p w m 3 /s, λ p - kwantyl, ustalony dla bezwymiarowych krzywych regionalnych przepływów Q maksymalnych. 0,92 1,11 1,07 0,10 0,35 2,11 0,47 max, p= 1% = αobszar A H1% ϕ Ir ψ (1 + Jez) (1 + B) α obszar regionalny parametr równania, A - powierzchnia zlewni, H 1% - maksymalny opad dobowy o prawdopodobieństwie p = 1% w mm, φ - współczynnik odpływu I r - spadek cieku, Przepływy maksymalne roczne o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia Obszarowe równanie regresji ψ -średni spadek zlewni, Jez - wskaźnik jeziorności zlewni, B - wskaźnik zabagnienia zlewni. 1 p
350,0 300,0 Rzeka Skawica Wodowskaz Zawoja A = 48,54 km 2 250,0 Przepływ Q max,p% [m 3 s -1 ] 200,0 150,0 100,0 50,0 Formuła opadowa 0,0 100 10 Obszarowe równanie regresji 1 0,1 Prawdopodobieństwo p [%] Porównanie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie
Funkcja rozkładu opadu dobowego (24 h) P t = xt Pp =1% Γ(r + s) r 1 s 1 xt = t (1 t) Γ(r) Γ(s) gdzie: x t współczynniki rozdziału dobowej sumy opadu na przedziały obliczeniowe, t czas [h], r, s parametry rozkładu, P p=1% wysokość opadu dobowego o prawdopodobieństwie p = 1% [mm]. Opad efektywny gdzie: t i= 1 t i= 1 H i P i t i= 1 H i = 0 ( i i t = 1 t = 1 P 0,2 S) i P + 0,8 S i 2 gdy ( gdy t i= 1 ( P 0,2 S) 0 t i i= 1 P 0,2 S) > 0 suma wysokości średniego w zlewni opadu efektywnego [mm], suma wysokości średniego w zlewni opadu w zlewni [mm], S maksymalna retencja zlewni [mm]. i
Hydrogramu jednostkowy Snydera q p t gdy t p ht = q p (tb t) gdy tb t p gdzie: h t rzędne hydrogramu jednostkowego [m 3 s-1 ], t czas [h], q p przepływ kulminacyjny [m 3 s-1 ], t p czas wystąpienia kulminacji [h]. t b czas trwania hydrogramu jednostkowego [h]. t t p t > t p
Wysokość opadu P, H [mm] 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 30,0 25,0 Opad całkowity Opad efektywny P p=1% = 100 mm 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Q max, p=1% = 27,1 m 3 s -1 Przepływ Q [m 3 s -1 ] 20,0 15,0 10,0 V 1% = 473 000 m 3 5,0 0,0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 Czas t [h] Hydrogram odpływu ze zlewni potoku Czechowickiego
Ruchu rumowiska Uproszczony wzór Mayera-Petera i Millera gdzie: γ h I 1,6 d m 2/3 qs = 0,402+ 1,147 1,6 d γ ciężar właściwy wody w N/m 3, h głębokość wody w m, I spadek zwierciadła wody, d m średnica miarodajne rumowiska w mm, q s przepływ rumowiska w N/s na 1 m szerokości koryta. Głębokość graniczną ruchu rumowiska (q s = 0) gdzie: h m graniczna głębokość wody w m, h m 0,402 1,6 d = γ I m
0 kamienista F R A K C J E żwirowa Zawartość frakcji o średnicy wiekszej niż d [%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 d m = 80,9 mm 100 1000 100 Średnica oczek sita d [mm] 10 Krzywa uziarnienia rumowiska
Bezużyteczną rzeczą jest uczyć się lecz nie myśleć, a niebezpieczną myśleć, a nie uczyć się niczego. (Przysłowie chińskie)