BMEEOVVAT25 segédlet a BME Építőmérnöki Kar hallgatói részére. Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése

EURÓPAI UNIÓ STRUKTURÁLIS ALAPOK

H I D R O L Ó G I A I.

BMEEOVVAT25 segédlet a BME Építőmérnöki Kar hallgatói részére

„Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése” HEFOP/2004/3.3.1/0001.01

Tartalomjegyzék

1. A hidrológia tárgya, altudományai. A légkör. Hidrológiai körfolyamat 2. A víz földi körforgásának fizikai-meteorológiai tényezői

3. A párolgás 4. A csapadék 5. A lefolyás. A vízgyűjtőkarakterisztika módszere 6. A lefolyás. Az egységárhullámkép eljárás 7. Empírikus árvízszámítás 8. Légmozgások: a szél. Idő, időjárás, éghajlat 9. Természeti katasztrófák és hidrológiai vonatkozásaik 10. Hidrográfia (vízrajz) 11. Vízhozamgörbe. Mércekapcsolati vonal 12. Potamológia 13. Hidrogeológia 14. Felszínalatti vizek

Hidrológia I. B M E E O V V AT25

A tantárgy tankönyve: Kontur I.-Koris K.-Winter J.: Hidrológiai számítások. (3. javított és bővített kiadás). Linográf Kiadó. 2003. ISBN 963 05 6502 1

1. A hidrológia tárgya, altudományai. A légkör. Hidrológiai körfolyamat A görög udro (víz) és logos (beszéd, kifejtés, tudás) szavakból: a víz tudománya A hidrológia a víz földi körforgásával és annak törvényszerűségeivel foglalkozó tudomány. Egy s más a hidrológiáról: – a természeti földrajzból ered, – sok határterületi tudománya van, – alapok: fizika, kémia, biológia. A tanulmányokhoz használható irodalmak: Németh E.: Hidrológia és hidrometria. Tankönyvkiadó, Budapest. 1959. Kontur I.-Koris K.-Winter J.: Hidrológiai számítások. (Tankönyv.) Linográf Kiadó, 2003. Koris K.: Hidrológiai számítási segédlet. (Adatgyűjtemény...) Sz: 91250 (Egyetemi jegyzet.) Műegyetemi Kiadó, 2005. Zsuffa I.: Műszaki hidrológia. I.-IV. Műegyetemi Kiadó, 1999. Chow, W. T.: Handbook of Applied Hydrology. McGraw-Hill Book Company. New York, San Francisco, Toronto, London, etc. 1964. A hidrológia részei, altudományai: • • • • • • • •

Hidrometeorológia (légköri vizek tudománya) Potamológia (felszíni vízfolyások tudománya) Limnológia (álló édesvizek tudománya) Hidrogeológia (felszínalatti vizek tudománya) Kriológia (a hó- és jég tudománya) glaciológia (gleccserek tudománya) Óceanológia (tengerek, óceánok tudománya) óceanográfia Hidrokémia, hidrobiológia (vízkémia, vízbiológia, vízminőség tudománya) Balneológia (gyógy- és hévizek tudománya) balneotechnika (fürdők)

Ha ez a tárgy Hidrológia I., mi van még a folytatásban?

1


A válasz:

Hidrológia II. (Műszaki hidrológia. Ennek részei: Árvízszámítás, víztározás, hidrológiai előrejelzések. Közös elméleti alap a hidrológiai statisztika.) Tóhidrológia, Víztározás, Hidrológiai mérőgyakorlat.

A vízről néhány jellemző: •

Megjelenési formái: • Hidrol - H2O (vízgőz) • Dihidrol – (H2O)2 (cseppfolyós, víz) • Trihidrol – (H2O)3 (szilárd, hó, jég)

•

A Föld vízkészletei: – 97 % tengervíz – 3 % édesvíz – ennek 78 %-a a sarki jégben található marad elvileg hozzáférhető édesvízkészlet: 0,66 % (a 3%-nak a 22%-a) Összes víz

Édes víz

Hó és jég (77,6%)

Édes víz (3%)

Talajvíz (21,8%)

biológiai (3%) atmoszféra (7%) talajnedvesség (33%) folyók, vízfolyások, tavak (57%)

Tenger víz (97%)

Felszíni édesvízkészletek (0,6 %)

Mire használhatjuk a tengervizet?

Tengeri halászat (fontos világélelmezési tényező), Tengeri közlekedés, árúszállítás, Globális tengeri hadászat.

2


A légkör •

A légkör rétegződése: a „szférák”

a légkör felső határa

~2000 km

1500 km

exoszféra

420 km

termoszféra (ionoszféra)

30 km

mezoszféra

40 km

sztratoszféra

10 km

troposzféra

80 km

•

Hidrometeorológiai folyamatok a troposzférában zajlanak.

•

A légkör összetétele: Állandó, vagy fő összetevők: 78,084 % N2 20,946 % O2 0,934 % Ar 0,0025 % Kr, Ne, He, Xe. Változó gázok: 0,032 % CO2 Erősen változó gázok: 0-4 % H2O

3


A hidrológiai körfolyamat és főbb elemei •

Főbb elemek: • P: a párolgás • C: a csapadék • L: a lefolyás

•

További elemek: • Psz: a szárazföld párolgása • B: a beszivárgás • La: felszínalatti lefolyás • ...

A hidrológiai körfolyamat szimultán zajló eseménysorozat: P→C→L→P→…

A vízháztartási mérleg • • •

adott, fizikailag-elméletileg lehatárolt térrész, adott időszak (hónap, év, hidrológiai év, sokév), azonos dimenziók (mm, m3, m3/s)

A mérlegegyenlet általános alakja: Σ BEVÉTEL – Σ KIADÁS = ± ∆K A szárazföld egy lehatárolt részére: C – ( L + P ) = ± ∆K Állóvízre: C + H + Vp + Szh – ( P + L + Vk + Sze ) = ± ∆K

4


2. A víz földi körforgásának fizikai-meteorológiai tényezői • • • • •

A napsugárzás A hőmérséklet A légnyomás A légnedvesség A szél (légmozgások)

A NAPSUGÁRZÁS A Nap sugárzási teljesítménye: 3,844·1023 kW, ez tartja fenn a hidrológiai körfolyamatot! --

A napsugárzás:

- részecskesugárzás, - elektromágneses sugárzás (c, λ, intenzitás). Szoláris állandó: 1368 W/m2 (=Joule/s m2 fluxus a légkör külső határán). Nyári – téli napsugárzás. Lehetséges – valóságos napfénytartam. Az albedó: a = Svissza/Sbe ·100 (%)

-----

Felület: tenger erdő szántó hó Planetáris albedó -----

a (%) 5-10 % 10-15 % 15-30 % 50-95 % 30 %

Napfolttevékenység, napkitörések (protuberanciák). Ózonpajzs. O3 a sztratoszférában. Üvegházhatás. A sugárzás mérése: - napfénytartammérés heliográfokkal (Campbell-Stockes féle), - abszolút műszerek, globálsugárzást mérnek (pyrheliometer, aktinometer, aktinográf), - albedometer (Janisevszkij-Kalitin féle).

A HŐMÉRSÉKLET •

Hőállapotot fejez ki.

•

Külön mérjük és vizsgáljuk: - levegő - talaj - vízhőmérséklet

5


A hőmérséklet menetének évi és napi periódusa van. •

Mérése:

levegő:– normál v. állomáshőmérő – maximum-minimum (Six) – hőmérséklet író vagy termográf víz:

– merítőedényes vízhőmérő

talaj: – hajlítottvégű hőmérősorozat – Lamont szekrény Hazai (lég)hőmérsékleti adatok • •

• •

A mérések kezdete: Buda, 1780 A szélsőértékek: tmax = 41,7 °C (2000. aug. 21., Békéscsaba) tmin = - 35,0 °C (1940. febr. 16., Görömböly-tapolca, ma Miskolctapolca) ∆t = 76,7°C Havi középhőmérsékleti szélsőségek Budapesten: tmax,havi = 26,8 °C (1807. augusztus) tmin,havi = - 9,0 °C (1893. január) Egy vízhőmérsékleti maximum: Balaton, Siófoknál: 29,8 °C (1965. június 27.)

A LÉGNYOMÁS • • • •

Értéke a tengerszinten: 1020 hPa, innen nemlineárisan csökken. Mérése: -- barométerekkel (higanyos vagy aneroid/szelencés) elnevezések: Fuess-féle, Fortin-féle, Lambrecht-féle. -- barográf v. légnyomásíró (aneroid, szelencesorozat) Terminusészlelések: 700, 1400, 2100 órakor. Napi átlag≈terminusátlag. Az értékek lokális és szinoptikus (áttekintő) feldolgozása.

6


3. A párolgás Típusok:

-- fizikai, -- fiziológiai, -- mechanikai, -- teljes vagy hidrológiai.

Az elpárolgó vízmennyiség legrégebbi számítási képlete: Dalton (1802):

P0 =

p0 (E − e ) C

A levegő nedvességtartalmának jellemzői: • • • • •

• •

t (°C) – léghőmérséklet, t´(°C) – vízhőmérséklet, e (g/m3) – abszolút (tényleges, pillanatnyi) nedvességtartalom, E (g/m3) – telítési nedvességtartalom (l. köv. old.), R=(e/E)·100 (%) – relatív nedvesség tartalom, óceánok fölött közel állandó: 80 % Nevada (Death-valley): 13 % sivatagok: 3-5 % szárazföldi területek átlagosan: 50-80 % Magyarország sokévi átlaga: 60 % D=E-e (g/m3) – telítési hiány, w (m/s) – szélsebesség.

Egy fogalom; harmatpont: th(e=E) (°C) A telítési nedvességtartalom-hőmérséklet függvényt a Clausius-Clapeyron tapasztalati egyenlet írja le: lgE=9,4051-(2353/T) (T °K-ben) Mérések: ● A levegő nedvességtartalmának mérése: -- higrométer, higrográf (hajszálas), -- pszichrométerek (August-féle, Assmann-féle levegőztetett/aspirációs), -- száraz-nedves hőmérőpár. ● A párolgás mérése: -- párolgásmérő kádakkal: „A”-típusú, GGI-3000-típusú, „U”-típusú 3 m2-es. (régen: Wild-féle 200 cm2-es mérleggel) Leolvasás: Fazekas-féle kúptárcsás leolvasóval. -- liziméterekkel (talaj-, talaj+növényzet párolgás).

7


A párolgásszámítás típusai: • • • • •

Vízfelület párolgás, Növényzet párolgás (transpiráció), Talajpárolgás (evaporáció), A talaj– és növényzet együttes párolgása (evapotranspiráció), Vízgyűjtő párolgása.

Kérdés: jelentős mennyiség a párolgás? (Balaton: 1 nap alatt 20mm→12 mó m3→a Duna Q=2000 m3/s vízhozama mellett ez 1,7 óra alatt folyik le. A válasz: igen jelentős! Vízfelület párolgás számítási módszerek. •

Meyer:

•

Aerodinamikai m. (Rákóczi):

P = N·[E(t´)-e]·w

•

Kádpárolgási adatok alapján:

P = c·P´

P(mm/hó) = a·[E(t´)-e]·(1+bw)

Az evapotranspiráció számítási módszerei. •

Szesztay módszere: - területi párolgás számítása, - meteorológiai adatok felhasználása.

•

A sugárzási módszer (Makkink): - a szoláris radiációval (Ra) egyező párolgás: Rs = [a+b·(n/N)]·Ra - evapotranspiráció a referencianövényre: ETo = c·W·Rs (mm/nap) - a tényleges evapotranspiráció: ETn = kc·ETo (mm/hó)

•

Párolgási térképek (P, mm).

8


4. A csapadék -- Fizikai folyamatok. -- Megjelenési formák. -- A csapadékok fajtái: mikrocsapadékok (harmat, dér, zúzmara) makrocsapadékok: szilárd (jég, hó), cseppfolyós (eső), vegyes (havaseső, ...) -- Csapadékok oszt. cseppátmérő szerint: permetező eső, ködszitálás (d<0,5 mm), csendes eső (d=0,5~1,0 mm), tulajdonképpeni eső (d=1,0~5,0 mm) A csapadékképződés folyamatai A csapadékképződés alapvető oka: a páradús levegő felemelkedik és lehűl. A felemelkedés okai: -- erős felmelegedés (trópusokon), -- morfológiai hatások (magas hegyek ~ orografikus csapadék), -- időjárási frontok, ciklonok (mérsékelt égövben, sík vidéken ez a döntő). A lehűlés oka: adiabatikus állapotváltozás. Csapadékkeletkezési elméletek A. Wegener (1911) -- a felhő vegyes halmazállapotú, -- lehűlés Æ telítődés Æ az aeroszol részecskéken víz jelenik meg. Bergeron (svéd meteorológus, 1935) -- a felszálló és lehűlő levegőben jégképző magvak vannak (nagy és kis magvak), -- a magvak körül jégkristályok alakulnak ki, és ezek növekednek. Bergeron-Findeisen (1939) a Bergeron elmélet továbbfejlesztése: mikro- és makrofizikai folyamatok együttes figyelembevétele (kontinentális éghajlati öv, gyenge feláramlás). Langmuir(1948)–Bowen(1950)-Ludlam(1951) csapadékképződés a felhőcseppek koagulációjával ill. kondenzációjával (trópusokon tiszta vízfelhőben, vagy az ún. „meleg” felhőben: nem kell feltétlenül szilárd fázisnak keletkezni). Makrofizikai folyamatok: feláramlás és turbulencia szerepe. Gyenge feláramlás esetén kicsapódás szilárd anyagra: jégképződés (Wegener-Bergeron mechanizmus), míg erős feláramlásnál a koaguláció dominál (Langmuir hatás). Mikrofizikai folyamatok: kicsapódás, jégképződés, ill. koaguláció.

9


Csapadék keletkezik:

wfeláramlási<wesési Felhőtípusok (Nemzetközi Felhőatlasz alapján) Alaptípusok:

cirrus (pehelyfelhő v. jégtűfelhő), cumulus (gomolyfelhő), stratus (rétegfelhő), nimbus (csapadékfelhő).

Magasság szerint: Magasszintű felhők (a felhő alja 6000 m felett): -- cirrus, -- cirrocumulus, -- cirrostratus. Középmagas szintű felhők (a felhő alja 2-6000 m között) -- altocumulus, -- altostratus. Alacsonyszintű felhők (a felhő alja 2000 m alatt): -- stratocumulus, -- stratus, -- nimbostratus (esőrétegfelhő) Függőleges felépítésű felhők (500 m-től 12000 m-ig): -- cumulus, -- cumulonimbus (zivatarfelhő) Anyag szerint: Vízfelhő, Jégfelhő, Vegyes halmazállapotú felhő. A csapadékok mennyiségi jellemzői Csapadékmagasság: h (mm), Csapadék intenzitás: i = h/T (mm/min, mm/d, ...), i(t) = dh(t)/dt Csapadék térfogat: V = h·A (m3), A(m2, ha, km2) Csapadék hozam: Q = V/T (m3/s), Fajlagos csap.hozam:q = Q/A (m3/s, km2, l/s ha), Mivel:

q = Q/A = V/(T·A) = (h·A)/(T·A) = h/T = i

q≡i

10


Az esőkarakterisztika t'

h(t) = ∫ i (t )dt

A

határozott integrált esőkarakterisztikának nevezzük.

0

A csapadékintenzitás-idő függvény a fenti formulának megfelelően: i(t) =

dh(t ) , dt

azaz a pillanatnyi intenzitás a h(t) függvény adott pontja érintőjének iránytangense. A csapadék mérése

Csapadékmérő v. ombrométer (Hellmann), Csapadékíró v. ombrográf (Hellmann-féle), Összegző csapadékmérő (totalizátor), Billenőedényes csapadékmérő.

Kultúrtörténelem: Korea (1441). Sejong császár (Yi Dinasztia) elrendelte, hogy valamennyi tartományi székhelyen mérjék a csapadékot (400 évig mértek vele): Csapadéktörvények: a csapadékmaximum függvény Montanari:

h=a·Tn

a=f(földrajzi helyzet, éghajlat, gyakoriság, az idő mértékegysége), n=f(földrajzi helyzet, éghajlat) A kitevő értéke Magyarországon: 0,2
Rövid időtartamú nagycsapadékok (T<1 nap). Salamin P.-Winter J.: 10 perc - 3 óra 3 óra - 24 óra Többnapos nagycsapadékok (T=1-6 nap). Goda L. (más statisztikai alapon készült)

11


Csapadékok területi átlaga Számítási módszerek:

számtani átlag módszere, háromszögekre bontás módszere, medián módszer (Thiessen poligonok módszere), izohiéta vonalak módszere. A területi átlag meghatározása egyetlen csapadékmérő esetén:

Fontos megjegyzés: a felsorolt módszerek univerzálisak, alkalmazhatók: léghőmérséklet, nedvességtartalom, légnyomás, ... stb. területi átlagszámítására.

12


5. A lefolyás. A vízgyűjtőkarakterisztika módszere A víz földi körforgásában nagyjelentőségű, mert: ♦ ♦

hozzáférhető édesvízkészletet jelent (97%-tengervíz, 3%-édesvíz Æ de miután ennek 78%-a sarki jég, marad: 0,66%, de ennek kb. a fele a folyók, tavak vízkészlete), árvízek is kapcsolódnak a lefolyás témaköréhez, melyek ellen védekezni kell.

A lefolyás jellegét a domborzat szabja meg. Gyűjtőfogalom, jelenthet: L (mm), Q(t) (m3/s), Qátlag, qL, QA, stb.... A vízgyűjtők osztályozása a lefolyás szempontjából A számítások is az alábbi osztályozáshoz igazodva végezhetők: ♦

Síkvidéki vízgyűjtők (belvízi öblözetek),

♦

Hegy- és dombvidéki vízgyűjtők: -- Kisvízgyűjtők (Mo.-n: A<10000 km2), a számítások közvetlen csapadéklefolyás kapcsolatok alapján történnek, -- Nagyvízgyűjtők (Mo.: A>10000 km2), vízmérce adatokkal lehet számolni,ezért itt fontos a: hidrográfia/vízrajz

A lefolyás fizikai folyamata A lehullott csapadék: C = L+B, ahol: C-csapadék (felszínre jutó, mért), L-felszíni lefolyás, B-beszivárgás (ez egy igen jelentős mennyiség, a felszín alatti medertáplálásban is résztvesz). Számítási módszerek kisvízgyűjtőknél (A<10000 km2) ♦ ♦ ♦

A vízgyűjtőkarakterisztika módszere (alkalmazása: A<10 km2 esetben), Az egységárhullámkép módszerek (alkalmazása: néhány száz km2 a felső határ), Egyéb (lefolyási modellek, szimuláció, stb.).

Fontosabb hidrológiai fogalmak ♦ ♦

Lefolyási idő: ti = tit+tim (min), Összegyülekezési idő: t = max ti (min),

13


♦

♦ ♦

Lefolyási hányad: a = L/C (-) 0 ≤ a ≤ 1,0 értéke a felszín fedettségétől függ, pl.: belterület: a = 0,7 rét, legelő: a = 0,3 szántó: a = 0,2 erdő: a = 0,1 Lefolyási tényező: a lefolyási hányad hosszúidejű vagy sokévi átlaga. A beszivárgás, melyet átfogóan a beszivárgási görbe jellemez. A beszivárgási görbék egyenletei:

Kosztjakov: b(mm/h) = c·n·t n-1 (t-min., c, n, állandó), Horton: b = bo+(bmax-bo)·e-kt (k-talajállandó), Philip: b = 30·S / t1/2 + Z (S, Z-talajállandók, Z≈bo) A vízgyűjtőkarakterisztika módszere Kisvízgyűjtők árhullámainak meghatározására alkalmas módszer. Más elnevezései: egyidejű lefolyási vonalak módszere, racionális módszer (T. J. Mulvaney, 1847). A módszer alapfeltételei: -- A vízgyűjtő terület: A<10 km2, -- az i – csapadékintenzitás térben és időben állandó, -- az α – lefolyási hányad térben és időben állandó, ill. használható a súlyozott lefolyási hányad:

α =

α b Α b + α rl Α rl + α sz Α sz + α e Α e Α b + Α rl + Α sz + Α e

,

természetesen: Ab+ Arl+ Asz+ Ae+... = A Az idő múlása: t = 10, 20, 30, ... perc, vagy: τ/n figyelembevételével: 1·τ/n, 2·τ/n, 3·τ/n, ... ,n·τ/n = τ, τ + 1·τ/n, ... (célszerűségből ez utóbbit választjuk) A fajlagos lefolyás qL, mellyel a lefolyási hányad: α=

qL (-) q

A tényleges vízhozam a fajlagos lefolyás figyelembevételével. Qi = qL·Ai = α·q·Ai = α·i·Ai Így az egyidejű lefolyási vonalak által közrezárt részvízgyűjtő-területek értékei alapján a csapadékból származó (felszíni) árhullámkép ordinátái: 1·τ/n: 2·τ/n:

Q1 = α·i·A1 Q2 = α·i·(A1+A2)

14


3·τ/n: 4·τ/n:

Q3 = α·i·(A1+A2+A3) Q4 = α·i·(A1+A2+A3+A4) · · · n·τ/n = τ: Qn = α·i·(A1+A2+A3+…+An) = Qmax, ezután a vízhozam nem változik. Tehát a maximális vízhozam: Qmax = α·i·A, Ez a vízgyűjtőről lefolyó maximális vízhozam, a vízgyűjtőkarakterisztika eljárás legfontosabb végeredménye. Nem végtelen időtartamú,hanem véges T-időtartamú csapadék esetén a maximális vízhozam: r r Qmax = α·i· Amax ,

r -a vízszállításba bekapcsolódó maximális vízgyűjtőnagyság T<τ esetén. T=τ, és Ahol Amax T>τ csapadék időtartamoknál az előző formula adja a maximális vízhozamot.

15


6. A lefolyás. Az egységárhullámkép eljárás Alapfogalmak a felszíni és felszínalatti lefolyás definiálásához: L: közvetlen felszíni lefolyás, La1: közel felszíni lefolyás („interflow”), La2 : felszínalatti lefolyás (alapterhelés talajvízből), La= La1+ La2 : felszínalatti összes víztáplálás. Az árhullám jellegzetes pontjai: A: az árhullám kezdőpontja, B: az árhullám végpontja, C: az árhullám tetőpontja, E,F: rendre az áradó és apadó ág inflexiós pontjai. Az egységárhullám eljárást előkészítő kettős transzformáció: Árhullámképek szeparálása: az összes felszínalatti víztáplálás lehatárolása A lefolyásképző csapadékidősor meghatározása: a felszínen lefolyó csapadékok idősorának meghatározása Árhullámképek szeparálása a./ Átlagos állapot, b./ Gyenge vízvezető képességű talaj esete, c./ Erősen vízáteresztő talaj esete, d./ A Ven Te Chow-féle gyakorlati módszer. A lefolyásképző csapadékmennyiség meghatározása De:

VL(m3) = ΣQi(m3/s)·∆t = ΣQi(m3/s)·3600(s)

ΣQi(m3/s)·= L(mm)·A(km2)·103 Folytonossági egyenlet alapján: L·A·103 = ΣQi(m3/s)·3600(s) Azaz a lefolyt réteg vastagság:

∑ Q (m / s )⋅ 3600(s ) n

L(mm ) =

i =1

3

i

A(km 2 ) ⋅103

16


A lefolyásképző csapadékmennyiség: CL ≡ L (mm) A lefolyásképző csapadékidősor meghatározása A lefolyásképző csapadék mennyiségének ismeretén túl szükséges a csapadék idősorának ismerete is. Meghatározásának módszerei az alábbiak: A Φ-index módszer, A beszivárgási görbe módszere, Az összeggörbék módszere (Salamin P.). A kettős transzformáció végeredménye: Felszíni lefolyásképző csapadékidősor – felszíni lefolyás árhullámképének együttese. Az egységárhullámkép definíciója Egységnyi (h=1 mm, T=1 óra) lefolyásképző csapadékból származó felszíni lefolyás árhullámképe, így jelöljük: u(t,T) (Az angol unit hydrograph kezdőbetűje alapján.) Az egységárhullámkép tulajdonságát fejezi ki az alábbi egyenlet: A(km2)·1(mm)=Σui(m3/s)·T Ebből a definícióval is egyezően:

(Σui T) / A = 1(mm),

ahol A (km2)-a vízgyűjtő nagysága, míg a számítások alapjául választott T-időintervallum felvétele a vízgyűjtő nagyságától függ. Magyarországi vízgyűjtőterületek esetén (Zsuffa I.): Vízgyűjtőterület A (km2) A < 6 km2 6 ≤ A < 30 km2 30 ≤ A < 100 km2 100 ≤ A < 300 km2 300 km2 ≤ A

Alapidőtartam T (perc, óra) T = 10 perc T = 1 óra T = 6 óra T = 12 óra T = 24 óra

Az egységárhullámkép módszer első alkalmazói: Benedek, Lászlóffy: a Duna árvizeire, Sherman (am.): az Antietam patakra, Dooge (ír): talajvízre is, Szesztay: a Tarna Verpelét-i szelvényére. Az egységárhullám módszer két alapelve:

linearitás, szuperpozíció (Összességében tehát a lineáris szuperpozíció elve érvényesül.) 17


Az egységárhullám meghatározásának módszerei A klasszikus módszer, Az S-görbe módszere, A momentum módszer. 1./ Az egységárhullám számításának klasszikus módszere

A líneáris szuperpozíció együtt: h1,h2,h3 lefolyásképző csapadékok esetén: Q1 = h1A1 Q2 = h1A2+h2A1 Q3 = h1A3+h2A2+h3A1 Q4 = h1A4+h2A3+h3A2 · · · Qn = h1An+h2An-1+h3An-2 Ez az egyenletrendszer képezi egyrészt az árhullám számításának alapját, másrészt az ún. „göngyölítéses” módszerrel az egységárhullámkép számításának klasszikus eljárását. A matematikailag túlhatározott egyenletrendszer közelítő hidrológiai lépések megtételét igényli. 2./ Az S-görbe módszer 3./ A momentum módszer A pillanatnyi egységárhullámkép és rendszerelméleti megközelítés

A csapadék: INPUT

Æ

⎡ BLACK ⎤ ⎢ BOX ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ MODELL⎥⎦

Æ

Az árhullám: OUTPUT

Standard bemenő jelek

Æ

Válasz- vagy kimenő jelek (átmeneti függvények)

Input-output rendszer

Æ

Líneáris csapadék-lefolyás rendszer

Standard bemenő jelek és válaszfüggvények:

Egységimpulzus v. Dirac-delta (disztribúció)

Pillanatnyi egységárhullám

Egységugrás v. Heaviside-féle függvény

Egységkarakterisztika

Négyszöglökés függvény

T-órás egységárhullámkép

18


Tetszőleges árhullámok számítása: Az alábbi konvolúciós szorzattal vagy konvolúciós integrállal számítjuk a h(t) csapadékból keletkező árhullámot, az egységárhullámkép u(t) függvénye segítségével: t

Q(t) = h(t) ∗ u(t) = ∫ h(τ )u (t − τ )dτ 0

Ez a Duhamel integrál vagy Duhamel-féle tétel.

19


7. Empírikus árvízszámítás A lefolyásszámítások legfontosabb területe, a műszaki hidrológia egyik alapfeladata. (A műszaki hidrológia másik két fő területe a víztározás és a hidrológiai előrejelzések.) Műszaki létesítmények tervezéséhez sok esetben a legfontosabb hidrológiai alapadat a mértékadó vízhozam: Qm (m3/s) Qm- a vízgyűjtőről jövő hidrológiai terhelést jelenti. A hazai tervezési gyakorlatban: Qm = Qp%, Ahol p(%) az előírt előfordulási valószínűséget (meghaladási valószínűséget) jelenti. Ez visszatérési idővel is jellemezhető: 100 1 (év) T= (év) = p p% Néhány előírt valószínűség, illetve visszatérési idő: Műtárgy Belterületi áteresz híd meder Külterületi műtárgy Külterületi meder Tározó árapasztó

Valószínűség p (%) 1% 1% 1% 3% 10 % 0,5 %

Visszatérési idő T (év) 100 év 100 év 100 év 33 1/3 év 10 év 200 év

A mértékadó vízhozam számításának módszerei A rendelkezésre álló hidrológiai adatok megléte, vagy hiánya a döntő. A hidrológiai adatot a vízállásidősor-vízhozamgörbe együttese, vagy vízhozamidősor jelenti. 1./ Teljes (hidrológiai) adathiány esetén: empírikus vagy tapasztalati módszerek, 2./ Hosszúidejű hidrológiai (vízhozam) adatsor. Hidrológiai statisztikai módszerek, 3./ Rövid adatsor: hidrológiai módszerek (vízgyűjtőkarakterisztika, egységárhullámkép, csapadék-lefolyás kapcsolatok, hidrológiai analógia, szimuláció, hidrológiai modellek, stb.)

20


Tapasztalati (empírikus) árvízszámítás Hidrológiai adat (H/t/, Q=f/H/, Q/t/) nincs, de minden egyéb van: térkép, fedettség, talajtani adatok, geológiai adatok, meteorológiai adatok, helyszíni bejárás adatai, és: hidrológiai analógia! Alapelvek: - Magyarországon csak hazai eljárásokat alkalmazzunk, és fordítva; azokat közvetlenül ne használjuk külföldön, - Több eljárás használata esetén a végeredményeket ne átlagoljuk, hanem a legmegfelelőbbet válasszuk ki azok közül. Az alábbiakban a következő módszereket ismertetjük: a racionális módszer, Csermák eljárása, Kollár módszere, és a teljes árhullámkép meghatározására is alkalmas Ven Te Chow-Wisnovszky-féle eljárás. Ezeken kívül még számos hazai eljárás ismeretes. A racionális módszer (A<10 km2) Első alkalmazója T. J. Mulvaney (1847), aki egy városi vízgyűjtőről levonuló maximális vízhozamot a következő formulával számította: Q=c·i·A formulával számította, ahol cállandó, i-a 24 órás maximális csapadékintenzitás, A-a vízgyűjtőterület nagysága. 1./ A mértékadó csapadék időtartama: T=τ A τ összegyülekezési idő a Wisnovszky-formulával számítható: L2 τ= (min), A⋅ S ahol: L-a völgy hossza (km), S-a völgy átlagos esése (-), A-a vízgyűjtő nagysága (km2). 2./ A mértékadó csapadékintenzitást a csapadékmaximum függvény adja: ip% = f(T,p%) 3./ A Qp% vízhozam az ip% csapadékintenzitásból keletkezik (a csapadék és vízhozam valószínűsége egyenlő): pQ = pi 4./ Az α-lefolyási tényezőt, vagy az α -súlyozott lefolyási tényezőt a Kenessey-féle táblázatokból írhatjuk ki. 5./ A mértékadó vízhozam, Qmax=Qmértékadó=Qp% értéke a vízgyűjtőkarakterisztika módszerből ismert: Qp% = α·ip%·A A Csermák-féle eljárás (A=0-3000 km2) Az eljárás alapelve az amerikai Myer (1879) elgondolásán alapszik, mely szerint: Qp = f(A) A p(%) előfordulási valószínűségű árvízhozam (meghaladási valószínűség):

21


Qp% = r·B3%· A (m3/s), ahol A-a vízgyűjtő terület nagysága (km2), B3%-a 3%-os nagyvízi vagy árvízi tényező, ennek értékét Magyarország hegy- és dombvidéki területeire kidolgozott izovonalas térkép tünteti fel, r-a valószínűségtől függő, segédgrafikonról leolvasható szorzótényező. Az eljárás kisebb vízgyűjtőkre az alábbi képleteket adja meg: A=10-25 km2: A=5-10 km2: A<5 km2:

Qp%=r·B3%·A2/3 Qp%=r·B3%·A3/4 Qp%=r·B3%·A

Kollár módszere (A=0-500 km2) A módszer a 10%-os valószínűségű fajlagos nagyvízhozamból indul ki, ennek meghatározását a: q10%=f(A,lefolyási viszonyok) kapcsolat alapján készült grafikon szolgáltatja. A lefolyási viszonyok felvétele a tervező döntésén alapszik, de ezt segíti számos táblázat és leírás, a vízgyűjtő térképi adatainak függvényében. A q10% (m3/s km2) alapján a p=10 %-os valószínűségű árvízhozam: Q10% = q10%·A, és a tetszőleges p(%)-valószínűségű árvízhozam: Qp% = ap%·Q10%, Itt ap%-a valószínűségi szorzó, mely az ap%=f(A,p%) kapcsolat alapján grafikonról olvasható le. A Ven Te Chow-Wisnovszky módszer (A=0-50 km2) A módszer azért különleges, mert nemcsak egyetlen mértékadó vízhozam, hanem a teljes mértékadó árhullámkép meghatározására alkalmas. Az empírikus eljárás lépései a következők: Σα i ⋅ Ai formulával, azaz a súlyozott lefoΣAi lyási tényező képletével számítható (vigyázat: ezek más lefolyási tényezők, mint a racionális módszernél!)

● A lefolyási tényező számítása:

α=

● Az árhullám késleltetési idő számítása (hasonló mint τ):

⎡ L ⎤ τk=0,00505 ⎢ ⎥ ⎣ S⎦

0 , 64

,

ahol: L-a lefolyási úthossz, S-a völgy átlagos esése. ● A csapadékviszonyok tényezőjének meghatározása: határozható meg.

22

Y=f(p%,tájegység), ábráról


● A lefolyási viszonyokra jellemző tényező meghatározása: X=f(α, p%), grafikonról adódik. t ● A csúcsredukciós tényező számítása: Z=f( ), ugyancsak grafikonról olvasható le.

τk

● A vízhozamordináták, illetve az árhullámkép: Qip = X·Y·Z · A

(m3/s)

ahol A (km2) a vízgyűjtőterület nagysága. ● A mértékadó vízhozam az árhullámcsúcs: Qp% = max Qip Végül megemlítjük, hogy az ismertebbek között vannak még az alábbi módszerek is: ● ● ● ●

Az aránybecslés módszere, A Markó-féle eljárás, Kovács-Takács eljárása, Az OVF-2001-es eljárás.

23


8. Légmozgások: a szél. Idő, időjárás, éghajlat A lémozgások alapvető oka: légnyomáskülönbség az atmoszférában. A légnyomáskülönbséget a felszínek egyenlőtlen (eltérő) felmelegedése okozza. A szél: vektormennyiség; - nagyság, - irány, - értelem A légmozgások típusai 1./ Szabályos szelek. a./ Tengeri és parti szél. Naponta 2x, 12 óránként változik az iránya. b./ Monszun szél. Óceán és földrészek között. c./ Hegyi- és völgyi szél 2./ Állandó szelek. A passzát-antipasszát szél. 3./ Esetleges szelek. Vándorló ciklonok, ciklonok. 4./ Helyi szelek. • • • • • • • • • • • • •

Főhn szél (száraz, meleg, hegyekben a hóolvadást indítja), Bóra (Adrián, hideg), Sirokkó (Földközi tenger, meleg), Nemere (Erdély, hideg, szárító), Kossava (Délvidék), Biso (Svájc, hideg), Blizzard (É-Amerika, hideg, hóviharos), Burán (Belső-Ázsia, erős homok és hóvihar), Chinook (Sziklás hg. meleg, főhn-szerű), Ghibli Szahara-Líbia, forró homokvihar), Habub (Egyiptom, Szaud Arábia, száraz homokvihar), Mistrál (Rhone torkolat, hideg), Számum (Szahara, Arábia, rövid, heves, meleg porvihar).

Szélmérések és feldolgozások. •

A szélrózsa.

24


Mérőeszközök. • • •

Wild-féle nyomólapos szélzászló Anemométerek: kanalas szélsebességmérők Fuess-féle univerzális szélíró: anemográf 10 m magasan regisztrál: - szélerősséget, - szélirányt, - széllökést.

Frontok, időjárás, éghajlat. Az időjárási frontok típusai: 1./ Meleg (v. felsiklási) front. 2./ Hideg (v. betörési) front. 3./ Okklúziós (záródott) frontpár. • Hideg okklúziós front, • Meleg okklúziós front. A hideg v. meleg légtömeget utoléri egy hűvös légtömeg. A csapadék: vegyes (csendes eső, zápor, zivatar). Meteorológiai idő: a légkör pillanatnyi fizikai állapota. Időjárás: a légkör fizikai állapotának folytonos változása. Éghajlat (v. klíma): egy nagyobb tájegység időjárásváltozási tartománya. A Föld éghajlatát a Köppen-féle éghajlati beosztás, vagy klímaatlasz foglalja össze, illetve ábrázolja. Magyarország éghajlati körzetei: -- Nagy-Alföld, -- Kisalföld, -- Dunántúli hegy- és dombvidék, -- Északi hegyvidék. Az éghajlat számszerű jellemzésére az ariditási tényező és a lefolyási tényezőket használjuk. •

Az ariditási tényező:

Értéktartománya: 0 ≤ r ≈ 4 Értékei Magyarországon:

r = Po/C = lehetséges párolgás/csapadék r=1,2-1,4 síkvidék, r=0,4-1,0 hegy- és dombvidék.

25


Az éghajlat az alábbi ariditási tényezőkkel jellemezhető: r <1/3 (Po=P) 1/3 - 1 1-2 2-3 >3 •

A lefolyási tényező:

Éghajlat tundra erdő sztyep félsivatag sivatag

α = L/C = felszíni lefolyás/csapadék

Értéktartománya: 0 ≤ α ≤ 1 A lefolyási és ariditási tényezők összefüggése: α = L/C = (C-P)/C = (C-Po)/C = 1 – r azaz:

α+r=1

26


9. Természeti katasztrófák és hidrológiai vonatkozásaik Okok: • Földtani, természetföldrajzi, • Időjárási, meteorológiai. Főbb katasztrófatípusok: • • • •

Földrengések, Trópusi viharok (hurrikán, tájfun, ciklon), Árvizek, Egyebek: • Földcsuszamlás, • Tartós fagy, • Hőhullám, • Erdőtüzek, • Lavinák, • Vulkánkitörés, • Szárazság (aszály), • Villámcsapás, • Tornádó, • Jégesős zivatar, • Sárlavina, sárömlés, • Szökőár: - tengerár v. cunami (ok: földrengés), [japán; cu-óriás, nami-hullám] - vihardagály (ok: vihar)

A nagy természeti katasztrófák trendjei A XX. század második felében (1950-1999) DEKÁD Katasztrófák száma Gazdasági kár milliárd USD

1950-59

1960-69

1970-79

1980-89

1990-99

1950-1999

20

27

47

63

86

243

39,6

71,1

127,8

198,6

607,0

1.044,1*

*1999-es értéken

1.044.100.000.000,0 $

1950-1980: évi 2-4 nagy természeti katasztrófa, 1980-2000: évi 6-10 nagy természeti katasztrófa. „Mindenhol emelkedő trend!” •

A katasztrófák számának növekedése: -- földtani okok, -- időjárási okok.

27


•

A katasztrófák okozta gazdasági kár növekedésének főbb okai: -- növekvő népesség*, -- koncentrálódó népesség**, -- növekvő civilizációs javak (épületek, infrastruktúra, járművek, · · · )

A főbb katasztrófák megoszlása (Katasztrófaszám: 243 db., időszak: 1950-1999) Megoszlás ok szerint:

A halálos áldozatok száma szerint (az összes áldozat 1.400.000 fő):

28


Gazdasági kár (1.044,1 milliárd USD, 1999-es értéken):

Trópusi viharok (ciklonok) • • •

Atlanti térség: hurrikán (az indián Csendes óceáni térség: tájfun, Indiai óceán térsége: ciklon

urrikan=nagy szél szóból származik),

Veszélyes, mert következményként árvízet is okoz! Az előző adatok szerint: -- száma; 38% -- áldozat; 45% -- kár; 28% Műholdfelvétel az Alabama partvidéke fölött örvénylő Ivan hurrikánról (2004. szeptember 17., péntek).

29

Hidrológia I. B M E E O V V AT25 Az atlanti hurrikánok időszak szerinti gyakorisági eloszlása: Június elejétől november végéig tart az atlanti hurrikán szezon, a legtöbb augusztus és szeptember hónapokban jelentkezik. A hurrikánok erősségét a Saffir-Simpson-féle skálával jellemzik. A hurrikánok elnevezése. A hurrikánok előrejelzése. Valami más: a tornádó • A szó a spanyol tronada=viharfelhő szóból származik, • Rövid ideig „élő” heves forgószél, jellegzetes porból ill. vízből álló tölcsérrel, • Forgási sebessége elérheti az 4-500 km/h-t is, • Forgásiránya megegyezik a ciklonokéval (hurrikánokéval), azaz az É-i féltekén az óramutató járásával ellentétesen forog, • Mo.-n is: 1999; Kunszentmárton. • Erősségét a Fujita-Pearson skálán mérik.

30


10. Hidrográfia (vízrajz) A hidrográfia (vagy vízrajz) elsősorban a vízállások H (cm), vízhozamok Q(m3/s), és a kettő kapcsolatát megteremtő vízhozamgörbe, vagy Q-H görbe adatgyűjtésével, adatfeldolgozásával, és statisztikai vizsgálatával foglalkozó altudománya a hidrológiának. További idetartozó mérések: • vízmélység • mederfelvétel • vízsebesség • hordalék • jégjelenségek • hullámjelenségek • talajvízállás, • mélységi vizek észlelése, • forrásmérések, • stb. Vízállásészlelés Lapmérce: álló, fekvő Vízmérce: relatív skála, 2 cm-es beosztással. – „0” pont magassága: [m B.f.] – H7: vízállás 7 órakor – H19: vízállás 19 órakor – Hnapi: napi középvízállás Éves észlelési gyakoriság: 365 (366) alkalom.

31

H napi =

H 7 + H 19 (cm) 2


Rajzoló vízmérce:

Távjelző vízmérce. Differenciál vízmérce. A világ legrégebbi vízmércéje a Nílus Roda-i mércéje (ún. nilometer, i.e. 3500-3000-ből):

Ehhez az ókori egyiptomi vízmércéhez kapcsolódik a világ legigazságosabb adórendszere.

32


Vízrajzi adatgyűjtemények 1./ Vízrajzi Évkönyv (1876-tól évente), 2./ Vízkészletgazdálkodási Évkönyv (1962-től évente), 3./ Napi Vízjárási Térkép (1895-től naponta):

Vízhozammérések Sebességméréssel, a hidraulika egyszerű folytonossági egyenletének felhasználásával: Q = v·A (m3/s), Ahol v-a középsebesség, A-nedvesített szelvényterület. Mérési gyakoriság: havonta kb. egyszer, évente 10-14 alkalommal. Jellemző vízállások (dimenzió: cm) LKV: legkisebb víz (a teljes észlelési időszakon belül észlelt legalacsonyabb jégmentes vízállás, dátum) KV: kisvíz (egy kijelölt időszakon belüli legkisebb vízállás) KKV: közepes kisvíz (évi kisvizek számtani közepe) KÖV: középvíz (valamennyi vízállás számtani közepe) KNV: közepes nagyvíz (évi nagyvizek számtani közepe)

33


NV: nagyvíz (egy kijelölt időszakon belüli legnagyobb vízállás) LNV: legnagyobb víz (a teljes észlelési időszakon belül észlelt legmagasabb jégmentes vízállás, dátum) ÁTV: átlagos víz (az a vízállás, melynél kisebb és nagyobb egyenlő számban fordult elő) Jellemző vízhozamok (dimenzió: m3/s) LKQ NQ KKQ KÖQ KNQ NQ LNQ Három fontos fogalom A vízjáték: ∆H = LNV-LKV ∆H A hidrográd: 10 A mederteltség: LKV = 0%, LNV = 100%, H-a kettő között %-ban. Vízjárási jelleggörbék

34


Gyakoriság, tartósság

Vízállás osztályközök kijelölése, az osztályköz kijelölés szabályai szerint. Ennek alapján elkészíthetők a gyakorisági és tartóssági ábrák:

35


11. Vízhozamgörbe. Mércekapcsolati vonal A vízhozamgörbe, azaz a vízállás-vízhozam kapcsolat a hidrográfia, de talán az egész hidrológia egyik legfontosabb kapcsolata. Egyes szerzők (Zsuffa I.) a hidrológia „kulcsgörbéjének” nevezik, melynek külföldi megerősítése is van (német nyelvterületen: Schlüsselkurve). A vízhozamgörbét vagy Q-H görbét a hidraulika permanens mozgásállapotára írjuk fel, azaz amikor a vízmozgásra jellemző időfüggvények konstansok, tehát: S(t) = const., v (t) = const., Q(t) = const., H(t) = const.,

ahol S(t)-a vízszinesés időfüggvénye, v (t)-a jellemző sebesség időfüggvénye, Q(t)-a vízhozam időfüggvénye, és H(t)-a vízállások időfüggvénye. A hidraulika Q = v ·A egyszerű folytonossági egyenletébe Chézy (1775) formuláját beírva a vízhozam: Q = A·C· R ⋅ S

Képletet kapjuk, ahol a C-sebességi tényező: C = f(n,R,S), (itt n-mederérdesség). A fenti kifejezésbe a vízállást bevezetve kapjuk a vízhozamgörbe egyenletét: Q = a·(H+Ho)b

H [cm]

Itt Ho a vízmérce „O”-pontjától is függő konstans. A fenti kifejezés a permanens vízhozamgörbe egyenlete.

Q [m3/s]

A vízmozgás természetes vízfolyásmedrekben általában nempermanens, itt a vízállásvízhozam kapcsolatot a nempermanens vízhozamgörbe, vagy árvízi hurokgörbe írja le. Felfedezője Hajós Sámuel, aki 1895-ben a Tisza-Tiszapüspök-i szelvényben végzett sorozatmérései alapján elsőként írta le a világon.

36


A vízhozamgörbe extrapolációja

Az extrapoláció a mérési határon túlra való kiterjesztését jelenti a vízhozamgörbének, egészen az LNV szintjéig. Főbb extrapolálási eljárások a következők: ♣ ♣ ♣ ♣ ♣ ♣ ♣

-

Egyszerű meghosszabbítás, A sebességi görbe meghosszabbítása, A geometriai extrapoláció (Stevens eljárása), Extrapoláció a Froude-számmal, Hidraulikai extrapoláció, Extrapoláció a vízhozamgörbe egyenletével, Extrapoláció összetett szelvények esetén.

Árhullámok levonulása

Az árhullám levonulása során a hidraulikai jellemzők folyamatosan változnak. A legfontosabb tényező a vízszinesés. Az árhullám áradó szakaszán nagyobb a vízszinesés mint a permanens érték, a tetőzéskor azzal pontosan egyező, az apadó szakaszon kisebb, mint a permanens esés. Mindezekből az következik, hogy: Sáradó > Sapadó, v áradó > v apadó, így a Chézi formulából következően:

emiatt az árhullám eleje előresiet, azaz az árhullám ellapul. tehát ugyanakkora HA vízhozam pedig hasonlóképpen: Qáradó > Qapadó, vízállás esetén az árhullám áradó vízhozam nagyobb, vagy lényegesen nagyobb az apadó vízhozamértéknél. Medertározódás

Egy folyószakaszon kijelölt két szelvény között a belépő I.-szelvényen átfolyó árhullám Tideig tározódik az I.-II. mederszakaszon. A tározott térfogat: T

V=

∫ [Q (t ) − Q I

II

(t )]dt ,

0

ahol QI(t)-a belépő árhullám, QII(t)-a kilépő árhullám. Mércekapcsolati vonal

Egy vízfolyás két szelvényében észlelt vízállások közötti kapcsolatot a mércekapcsolati vonal fejezi ki. A permanens összetartozó vízállások értékeit a felső szelvényben a Hf változó, míg az alsó szelvényben a Ha változó felvett értékei jelentik. A két szelvény vízállásai közötti kapcsolatot a Ha = a+bHf líneáris (más esetben nemlíneáris) egyenlet írja le.

37


A mércekapcsolat segítségével az alábbi hidrológiai feladatok oldhatók meg. ♣ ♣ ♣ ♣

-

Vízállások előrejelzése, Mederváltozások kimutatása, Hiányzó észlelések pótlása, Vízhozamgörbe áthelyezése.

Megjegyezzük, hogy a fenti kétváltozós mércekapcsolaton kívül léteznek többváltozós mércekapcsolatok is. Ezek képezik a hazai előrejelzések alapjait is számos folyónkon: Dunán, Tiszán, Rábán, stb. Mellékhatások figyelembevétele vízhozamgörbéknél

A különböző hidrológiai számításoknál az alábbi mellékhatások feltétlenül figyelembe veendők, mert azok a vízhozam értékét jelentősen befolyásolják. ♣ ♣ ♣ ♣

-

Mederváltozások hatása: a vízhozamgörbe eltolódik. A növényzet hatása: a vízhozamgörbe elfordul. Jég hatása: a vízhozamgörbe ugyancsak elfordul. Esésváltozás hatása: a megváltozott S1-esés hatására a Qo-permanens vízhozam az alábbira változik: Q1 = Qo

ahol So-a permanens vízszinesés.

38

S1 So

,


12. Potamológia A potamológia a természetes vízfolyásokkal foglalkozó altudománya a hidrológiának. Osztályozások

1./ A vízfolyás hossza és a vízgyűjtőterület nagysága szerint. Megnevezés Csermely, ér patak Kisebb folyó Közepes folyó Nagy folyó Folyam

Hossz (km) < 100 100 – 250 250 – 500 500 – 1000 1000 <

Vízgyűjtő terület (km2) < 1000 1000 – 10000 10000 - 50000 50000 – 150000 150000<

2./ A vízutánpótlás módja szerint. ♠ -- olvadékvízből táplálkozó (heves tavaszi árvíz), ♠ -- esővízből táplálkozó (nagy csapadékok alkalmával heves árvíz), ♠ -- gleccserek által táplált (kiegyenlített vízjárás), ♠ -- felszínalatti vízből táplálkozó (kiegyenlített vítjárás), ♠ -- vegyes vízutánpótlás. 3./ Betorkollás szerinti osztályozás. ♠ -- folyam (tengerbe torkollik), ♠ -- I. rendű mellékfolyó (folyamba torkollik), ♠ -- II. rendű mellékfolyó (I. rendűbe torkollik), ♠ -- III. rendű, ♠ -- IV. rendű, ♠ -- mellékpatak (IV. rendűbe torkollik). 4./ Kisvízfolyások vízhozam szerinti osztályozása (Q10%: 10%-os valószínűségű árvízhozam). ♠ -- I. osztályú: Q10% > 50 m3/s, ♠ -- II. osztályú: 10 < Q10% < 50 m3/s, ♠ -- III. osztályú: Q10% < 10 m3/s 5./ Torkolat szerinti osztályozás. ♠ -- delta torkolatú (Duna, Nílus), ♠ -- tölcsér torkolatú (Elba, Temze), ♠ -- lagúnás torkolatú (a kettő közötti átmenet). 6./ A vízfolyás jellege szerint. ♠ -- állandó vízfolyás ♠ -- időszakos vízfolyás(torrens, magyar: torda), ♠ -- átmeneti a kettő között (vadpatakok, ritkán szárad ki).

39


Vízfolyások, folyóvölgyek hossz-szelvénye

Vízmosás: időszakos vízfolyás, fő részei: katlan, torok, hordalékkúp. Folyó: szakaszjelleget mutat: felsőszakasz, középszakasz, alsószakasz. A szakasz legfontosabb jellemzői: v-sebesség, G-hordalék, S-esés. Egy folyón a szakaszjelleg változatosan alakulhat, ez a természetföldrajzi és geológiai viszonyok függvénye. A különböző szakaszoknak jellegzetes keresztszelvény formációi vannak. Vízfolyások, folyók helyszínrajzi jellemzése

A következő fogalmak foglalják össze a helyszínrajzi viszonyokat: ♠ -- távolság a torkolattól: (fkm), ♠ -- jobbpart, balpart, ♠ -- a folyó középvonala, ♠ -- a sodorvonal, ♠ -- inflexiós szakasz, szurflexiós szakasz, ♠ -- gázlóviszonyok: jó gázló, rossz gázló, ♠ -- kanyarulatok, meanderek, ♠ -- holtág vagy morotva, az üst. A folyók kanyarulatai és a mélységek közötti összefüggéseket Fargue-szabályai foglalják össze. Folyók hordalékviszonyai

Magyarországon: Bogárdi J., Stelczer K., Rákóczi L. foglalkoztak a hordalékviszonyok tanulmányozásával. Egy vízfolyás által szállított összes hordalék mennyisége: G = Gl + Gg + Go,

Ahol: Gl-a lebegtetett hordalékszállítás, Gg-a görgetett hordalékmennyiség, Go-az oldott hordalékhozam. A legfontosabb, és a legnagyobb mennyiségű a lebegtetett hordalékszállítás: Gl = Σ Gli = Σ ci ⋅ vi ·Ai (kg/s), A képletben ci-a lebegtetett hordalékkoncentráció, vi-a vízsebesség, Ai-szelvényterület. Vízfolyások jégviszonyai

A jégképződés feltételei: ♠ -- a víz teljes tömegében túlhűtött állapotban legyen, ♠ -- legyenek kristályosodási középpontok, ♠ -- a fagyáskor felszabaduló hőt a meder és a levegő vezesse el.

40


A jégjelenségek fázisai: ♠ -- a jég megjelenése (parti jég, fenékjég, hártyajég a part mentén), ♠ -- a jégzajlás (jégtáblák képződése és mozgása), ♠ -- a folyó beállása (összefüggő jégréteg kialakulása), ♠ -- a jég megindulása (mint a jégzajlás), ♠ -- a jég eltűnése. A jég miatt a folyó hidraulikai viszonyai megváltoznak, ezért a vízhozam csökken: Változatlan; H, A, Változik; K(jégmentes) < K’(jég esetén), R(jégmentes) < R’(jég esetén), így:

Qjégmentes < Qjeges

A hidrográfia ezért különbözteti meg élesen a jégmentes és jeges vízállásokat, vízhozamokat. A jeges árvizek igen veszélyesek, lásd például az 1838-as pesti jeges árvizet, az 1954-es jeges dunai árvizet, stb.

41


13. Hidrogeológia A hidrogeológia a felszínalatti vizekkel foglalkozó altudománya a hidrológiának. Osztályozások

1./ A kőzetek osztályozása hidrogeológiai szempontból. ♠ -- vizet áteresztő (permeábilis) kőzetek, ♠ -- vizet félig áteresztő (szemipermeábilis) kőzetek, ♠ -- vízzáró (inpermeábilis) kőzetek. 2./ A felszínalatti vizek osztályozása származás szerint. ♠ -- infiltrációs vizek (felszínről beszivárgó vizek, ez a döntő mennyiség), ♠ -- kondenzációs vizek (légtérből kicsapódó vizek), ♠ -- profondus vizek (mélységből felszálló vizek), ♠ -- kevert vizek, ♠ -- fosszilis vizek. A felszínalatti vizek fizikai, kémiai, bakteriológiai tulajdonságai

Fizikai tulajdonságok. ♠ -- szag, ♠ -- íz, ♠ -- szín, ♠ -- átlátszóság, ♠ -- elektromos vezetőképesség, ♠ -- hőmérséklet (felhasználás szempontjából igen fontos tényező). Hőmérséklet szerinti osztályozás (Juhász J.); hideg, langyos, meleg, forróvíz vagy hévíz. A geotermikus gradiens fogalma. Kémiai tulajdonságok. ♠ -- gáztartalom: CO2, O2, N2 CH4, C2H6, H2S, H2, ♠ -- oldott ásványi anyagok, ásványi sók: MgO, SO3, SiO2, Fe, Mn, Al, K, Na, Cl. Ezek okozzák a víz keménységét. (Német keménység: 1°nk = 10 mg/l CaO mennyiség). A víz: lágy, 0-8 °nk, kemény, 8-25 °nk, igen kemény, > 25 °nk Bakteriológiai tulajdonságok. Ezek közül egyedül a coli-bacilusok jelenléte vagy hiánya érdekes hidrológiai szempontból (lásd vízfelhasználás).

42


14. Felszínalatti vizek A felszínalatti vízkészletek felhasználása a felszíni vízkészletek mellett igen fontos. A felszínalatti készlettípusok meghatározzák a kitermelés és a felhasználás módját is. A fő felszínalatti víztípusok a következők: ♥ -- Talajvíz. Az első vízzáró réteg felett összegyűlt víz a talajvíz vagy freatikus víz. ♥ -- A rétegvíz. A második, harmadik, stb. vízvezető rétegek vizei. A rétegvíz lehet feszített tükrű, és nem feszített tükrű. ♥ -- Artézi vizek. Ezek is rétegvizek. Elsőként a francia Artois grófságban tört fel egy mélyfúrású kútból. Az artézi vízbe mélyített kutak lehetnek pozitív és negatív artézi kutak. Egyik típusa a pétervári típusú artézi kút. Magyarországon először Zsigmondi Vilmos 1878-ban fúrta a 970,58 m mély városligeti artézi kutat. ♥ -- Karsztvizek. Trieszttől délkeletre fekvő Karszt-hegység után kapta a nevét. Mészkő, dolomit hegységekben lévő speciális felszínalatti vízkészlettípus. Fogalmak: -sekély karszt, -mély karszt, -földalatti patak=búvópatak, -támaszkodó karsztvíz, -leszálló karszt, -nyílt karszt, -fedett karszt. ♥ -- Források. Felszínalatti vizek felszínre jutásának formációi. Típusai Léczfalvy S. szerint: -talajvízforrások, -gravitációs források, -gázos (gőzös) források, -vegyes források, -mesterséges források. Vízfelhasználás szempontjából fontos a források megbízhatósága (Kessler H.) ♥ -- Kutak. A kutak mesterséges felszínalatti vízkivételek. Típusok: -ásott aknakút (max. 25-30 m-ig), -fúrt csőkút (többszáz m-ig), -csáposkutak. Hidrológiai szempontból fontos a kutak vízadóképessége. A vízadóképesség az 1 m-es depresszióhoz tartozó vízhozam m3/h, vagy l/min dimenzióban (VITUKI). Talajvízjárás

A talajvízjárásokat periódikus változások jellemzik. A talajvízjárásnak napi, havi és évi menete van. A talajvízjárás jellemzésére Ubell K. és Németh E. állapított meg összefüggéseket. Eszerint a havi közepes talajvízállások sokévi átlaga, és a havi léghőmérsékletek sokévi átlaga között elliptikus kapcsolat van. A talajvízjárás előrejelzésére idősoranalízis alkalmas, a tavaszi legmagasabb talajvízállás előrejelzésére Ubell K. dolgozott ki eljárást.

43

BMEEOVVAT25 segédlet a BME Építőmérnöki Kar hallgatói részére. Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése

Recommend Documents