VIZP Vodohospodářské inženýrství

VIZP Vodohospodářské inženýrství  VIZP – Vodohospodářské inženýrství a životní prostředí a životní prostředí Přednáška č 2 Přednáška č.2

– Základy hydrologie Základy hydrologie

9Obsah hydrologie, základní pracovní metody 9Ob h h d l i ákl d í í t d 9Bilance oběhu vody v přírodě y p 9Měření a vyhodnocení hydrologických veličin 9 9Extrémní hydrologické jevy, předpovědi é í h d l i ké j ř d ědi

Obsah hydrologie Hydrologie je věda, která se zabývá poznáním zákonů výskytu a  je věda která se zabývá poznáním zákonů výskytu a oběhu vody v přírodě. Inženýrská hydrologie ž ý ká h d l i se zabývá se charakteristikami  bý á h k i ik i hydrologického režimu vodních objektů a poskytuje je pro  potřebu projekce provozu i údržby vodohospodářských děl a potřebu projekce, provozu i údržby vodohospodářských děl a  stavební činnosti obecně. Součástí jsou  9 H Hydrometrie d t i – věnuje se návrhu vhodných přístrojů, metodám  ě j á h h d ý h ří t jů t dá měření samotnému měření. 9 Hydrografie – zabývá se pozorováním, shromažďováním,  klasifikací,  tříděním a zpracováním získaného materiálu. Úzký vztah s dalšími vědními obory, zejména s meteorologií,  klimatologií, pedologií, geologií, hydrogeologií a hydraulikou,  dále a agrotechnikou, lesním hospodářstvím, biologií a chemií  vody …

Historický vývoj hydrologie 9 1650  1650 – Perreault ‐ odhad průtoku řeky Seiny odhad průtoku řeky Seiny 9 1775 – Chezy – výpočet střední rychlosti vody v korytě 9 1800 – 1900 – zahájení období počátků systematického  pozorování, měření a vyhodnocení hydrologických veličin 9 1850 – Woltmann – vynález hydrometrické vrtule

9 1875 ‐ zřízena Hydrologická komise Království českého 9 1900 – 1930 – hydrologie se stává samostatnou vědou 9 1930 – 1950 – výrazný rozvoj inženýrské hydrologie y g ý ( ) 9 1954 – založen Hydrometeorologický ústav (dnes ČHMÚ) 9 Současnost – rozmach matematického modelování

Pracovní metody v hydrologii  Statistické pravděpodobnostní metody Statistické, pravděpodobnostní metody 9 Vycházejí z pravděpodobnostního charakteru výskytu  j d li ý h j ů hl di k dl h d béh ý j jednotlivých jevů z hlediska dlouhodobého vývoje. Donedávna  dá měly dominantní uplatnění v hydrologii.

Deterministické, genetické metody 9 Snaží se formulovat fyzikální podstatu jednotlivých jevů. V  poslední době nebývalý rozvoj matematického modelování.   9 Modely pro simulaci vývoje počasí, prostorového a časového  , p rozložení srážek, srážko‐odtokového procesu.

Základy pravděpodobnosti a statistiky v hydrologii Prvotní údaje – hlášení pozorovatelů nebo záznamy z moderních  přístrojů pro měření hydrologických veličin přístrojů pro měření hydrologických veličin Roztřídění podle shodného znaku (vodní stav, průtok …)   Statistické soubory – množiny jednotlivých statistických proměnných  Zpracování statistických souborů statistických souborů Charakteristiky souboru – podávají základní informace o některých  vlastnostech statistických souborů (průměr, směrodatná odchylka,  l h i i ký h b ů( ů ě ě d á d h lk součinitel variace, součinitel asymetrie). Čáry překročení – zásadní pracovní nástroj v hydrologii – poskytují  informaci kolikrát nebo po jakou dobu byla určitá veličina v  posuzovaném období dosažena nebo překročena   é bd bí d ž b ř k č

Empirická čára překročení Možnosti sestavení 9 Čára překročení je součtovou  čarou k histogramu četnosti čarou k histogramu četnosti

9 V případě spojitého průběhu čáry  jevu součtem dob trvání 9 V případě sloupcovitého zobrazení  čáry jevu seřazením sloupců yj p dle  velikosti v klesajícím pořadí 9 Výpočtem Výpočtem pravděpodobnosti po  pravděpodobnosti po seřazení souboru o n prvcích dle  velikosti v klesajícím pořadí , m j p , jje  pak pořadové číslo.

m − 0.3 p= n + 0.4

Teoretická čára překročení K sestavení teoretické čáry překročení se využívá K sestavení teoretické čáry překročení se využívá některá z křivek  některá z křivek rozdělní pravděpodobnosti. Pro hydrologické jevy je charakteristická asymetrie výskytu,  h d l i ké j j h k i i ká i ýk nejčastěji se využívá křivka Pearson III, její průběh závisí na  průměru x součiniteli asymetrie Cs a součiniteli variace  průměru   , součiniteli asymetrie  a součiniteli variace Cv. 

Cíle teoretických Cíl i ký h čar překročení – č ř k č í vyhlazení průběhu čáry  hl í ůběh čá překročení, extrapolace do oblasti extrémních pravděpodobností

Bilance vody v přírodě

Základní bilanční rovnice Hs = H Základní bilanční rovnice   = Ho+ H + Hv ± R [m3] nebo [mm vod.sloupce] nebo [mm vod sloupce] 9 Hs – množství srážek spadlých na povodí 9 Ho – množství vody odteklé z povodí závěrným profilem  množství voda odpařené z povrchu povodí 9 Hv – množství voda odpařené z povrchu povodí 9 R – změna zásob vody v povodí

Srážky Členění srážek dle různých kritérií srážek dle různých kritérií 9 dle způsobu a místa vzniku – vertikální (vznik v atmosféře),  h i horizontální ál í (kondenzace na povrchu země) (k d h ě) 9 dle skupenství – srážky kapalné (déšť, rosa), pevné (sníh,  kroupy) Základní parametry Základní parametry 9 Srážková výška Hs – výška vodního sloupce, která by se  vytvořila z deště na dané ploše bez odtoku výparu či vsaku vytvořila z deště na dané ploše bez odtoku, výparu či vsaku. 9 Srážkový úhrn – množství srážek vypadlé v bodě (srážkoměrné stanici) vyjádřené rovněž jako výška vodní sloupce.

y – velikost srážkové výšky za časový interval ý y ý 9 Intenzita srážky i Δ Hs i= Δt

Druhy dešťů Základní druhy kapalných vertikálních srážek

9 Deště z tepla ‐ ohřátí vlhkého vzduchu o zemský povrch ⇒ výstup  do vyšších vrstev ⇒ dynamické ochlazení ⇒ dosažení rosného  bodu ⇒ vysrážení kapek či ledových krystalů (velké intenzity  srážek menší zasažené plochy přívalové lijáky). srážek, menší zasažené plochy ‐ přívalové lijáky) 9 Deště orografické ‐ výstup vlhkých vzdušných hmot vynucené  reliéfem území (vytrvalé deště s menší intenzitou). liéf ú í( lé d š ě ší i i ) 9 Deště cyklonální – doprovázejí postupující tlakovou depresi, malé  hluboké cyklony (průtrže mračen velké intenzity), ploché cyklony  (vytrvalé deště zasahující velká území s nižšími intenzitami).

Měření srážek Standardní parametry srážkoměrných přístrojů – záchytná kruhová  plocha 500 cm2 (D=252.3 mm), výška hrany 1 m nad terénem.

Měření kapalných srážek 9 Srážkoměr  Srážkoměr – nutný pozorovatel nutný pozorovatel 9 Ombrograf – kontinuální měření srážek 9 Totalizátor – měření v nepřístupných místech 9 Radarové snímkování povrchu země Radarové snímkování povrchu země

Měření sněhových srážek 9 Sněhoměrná lať 9 Váhový sněhoměr Váh ý ěh ě

Časové rozdělení srážek Denní chod srážek chod srážek (u nás často ranní a odpolední hodiny) (u nás často ranní a odpolední hodiny) Roční chod srážek 9 rovníkový typ – 2 maxima (IV a XI), 2 minima (VIII a I) 9 monzunový typ ‐ ýt velké srážky v létě, malé v zimě lké ážk létě lé i ě 9 subtropický typ – srážky v zimě, suché léto 9 Přímořské oblasti mírných zeměpisných šířek – rovnoměrný chod

Extrémní dlouhodobé roční úhrny srážek 9 Minima – u nás 400 mm (Slaný, Dyje‐Svratka), svět 1 mm (Chile) ý yj 9 Maxima – u nás 1700 mm (severní hory), v Evropě 4000m (sever  Anglie část Švédska) svět 16000mm (jižní svahy Himaláje) Anglie, část Švédska), svět 16000mm (jižní svahy Himaláje).

Srážková sezona – měsíční srážkové > dlouhodobý průměr 

Prostorové rozdělení srážek Izohyety ‐ čáry spojující na mapě místa se stejnými srážkovými  úhrny, mohou být vztaženy k různým časovým obdobím (průměrný  rok konkrétní rok měsíc jednotlivý déšť) rok, konkrétní rok, měsíc, jednotlivý déšť). Průměrná srážka na povodí – stanovení na základě srážkových  úhrnů ze stanic v posuzovaném povodí úhrnů ze stanic v posuzovaném povodí 9 Metoda aritmetického průměru ‐ aritmetický průměr  srážkových úhrnu ze všech stanic na povodí. ážk ý h úh š h t i dí 9 Metoda čtvercové sítě – Aritmetický průměr z úhrnů pro každý  čtverec (kde není stanice – lineární interpolace) 9 Metoda polygonů (metoda Thiessena p yg ( )) – každé stanici je  j přisouzena plocha polygonu tvořené osami souměrnosti na  spojnicí jednotlivých stanic  9 Metody založené na vyhodnocení izohyet

Odtok – základní pojmy Nevsáknutá část srážky a vyvěrající voda z podzemních pramenů  Nevsáknutá část srážky a vyvěrající voda z podzemních pramenů stékají působením gravitace ve směru největšího sklonu. Plošný odtok  ý ⇒p postupné soustřeďování (ron, stružky, potoky, řeky). p ( , y, p y, y) Říční soustava – hlavní tok se svými přítoky. Říční síť – systém říčních soustav.

Charakteristiky toku y Pramen – počátek toku – pramen soustředěný či nesoustředěný Ústí toku – místo, kde se tok vlévá do jiného toku Délka toku L  élk k – vzdálenost od pramene k ústí, měřeno osou koryta dál d k ú í ěř k Staničení profilu – vzdálenost daného profilu od ústí, měřeno osou Stupeň vývinu toku – d/L, d je délka přímé spojnice pramene a ústí Stupeň vývinu toku – d je délka přímé spojnice pramene a ústí Schematický podélný profil

Faktory ovlivňující odtok F ikál ě Fyzikálně geografické vlastnosti povodí fi ké l t ti dí 9 zeměpisná poloha ⇒ klimatické poměry 9 orografické poměry ⇒ výškové a sklonitostní poměry 9 geologické a půdní poměry  9 rostlinná pokrývka p ý Velikost a tvar povodí 

Zpracování údajů o odtoku Průtok Q P ůt k Q – objem vody proteklý bj d t klý profilem za jednotku času [m fil j d tk č [ 3.s‐11] Qd, Qm, Qr, Qa – průměrný denní, průměrný měsíční, průměrný  roční a dlouhodobý průměrný průtok [m3.ss‐1] roční a dlouhodobý průměrný průtok [m Proteklé množství O – objem vody proteklý profilem za delší časové  období [zpravidla tisících m3] Typické charakteristiky odtoku 9 Denní odtok    Od = 86400 ⋅ Qd 9 Měsíční odtok (n‐počet dní v měsíci)     ( p ) Om = 86400 ⋅ n ⋅ Qm 9 Roční odtok Or = 31.536 ⋅ 103 ⋅ Qr 9 Průměrný roční odtok Oa = 31.536 ⋅ 103 ⋅Qa

Specifický odtok Specifický odtok – průtok vztažený na jednotku plochy povodí průtok vztažený na jednotku plochy povodí Q [m3 ⋅ s −1 ⋅ km−2 ] q= S

Měření průtoku Stanovení průtoku vody – zásadní problém hydrologie. Drobné prameny  ‐ p y lze měřit proteklý p ý objem za čas (podstata  j (p Q=V/t Q / )). Vodní toky – hydrometrování vyhodnocení průtoku ze složitého  rychlostního pole (doba měření – desítky minut)   rychlostního pole (doba měření  desítky minut) 9 Rozdělení rychlostí po svislici 9 Rozdělení rychlostí po šířce profilu

dQ = u ⋅ cos α ⋅ dS

⇒

S

hB

0

00

Q = ∫ u ⋅ dS = ∫ ∫ u ⋅ dS

Metody numerického řešení 9 Metoda Harlachera (na základě svisl. rychlostí) 9 Metoda Culmanna M d C l ( (na základě izotach) ákl dě i h)

Hydrometrování Klasický přístup  Klasický přístup – využití hydrometrické vrtule pro změření bodové  využití hydrometrické vrtule pro změření bodové ui = α ⋅ ns + β ns – specifické otáčky vrtule) rychlosti proudění                           ( Výpočet průměrné svislicové rychlosti dle počtu měření ve svislici  Výpočet průměrné svislicové rychlosti dle počtu měření ve svislici 1 9 5 bodová metoda   v i = ⋅ (up + 3 ⋅ u0.8 + 3 ⋅ u0.4 + 2 ⋅ u0.2 + ud ) 10 9 3 bodová metoda v i = 1 ⋅ (u0.8 + 2 ⋅ u0.4 + u0.2 ) 4 9 1 bodová metoda 1b d á d v i = u0.4 Výpočet průtoku v pásu šířky Bi podél svislice i s průměrnou ů ě hl bk Hi hloubkou  Q i = B i ⋅ Hi ⋅ v i Výpočet celkového průtoku v případě měření v n n svislicích Q = ∑Qi 1

y p p ultrazvukového Nové možnosti měření rychlostního pole pomocí  systému ADCP založeném na Dopplerově principu. 

Vodní stavy Vodní stav – určení polohy hladiny v profilu vodního toku Vodoměrná (limnigrafická) stanice – určená k měření vodních stavů Vodoměrná (limnigrafická) stanice  určená k měření vodních stavů Přístroje a objekty k určené k měření vodních stavů     9 Vodočetná lať svislá nebo šikmá, vyznačené pásky znamenající  zpravidla 2 cm výšky vodního sloupce, čtení vztaženo ke zvolené  0 vodočtu, nutný pozorovatel. 9 Klasické limnigrafy – g y šachta spojená přívodním potrubím s  p j p p korytem, užití principu spojených nádob, měření hladiny  plovákem, záznam na mm papír 9 Nové přístroje – zejména ultrazvukové, tlakové a bublinkové  měřiče polohy hladiny, běžný dálkový přenos dat p y y ý ýp

Měrná křivka Měrná křivka vyjadřuje závislost průtoku na vodním stavu Q=f(H) Základem hydrometrování y v profilu pro různé vodní stavy p p y Hydrometrování

Extrapolace křivky

Interpolace křivky pro běžné průtoky

600

Vodní stav [ccm]

500 400 300 200 100 0 0

50

100

150

200

250

Průtok [m 3 .s -1 ]

9 Měrná křivka vodoměrné stanice  9 Kontinuální záznam vodních stavů stanice

Kontinuální průběh  průtoku Q v čase

Minimální průtoky Výskyt minimálních průtoků v případě dlouhodobého období bez  povrchového odtoku Důležité charakteristiky  9 Roční minimum Roční minim m 9 Absolutní minimum 9 Doba trvání minimálních průtoků 9 Výtoková čára ý k á čá

Q t = Q 0 ⋅ e − α⋅ t Q0 – počáteční průtok, Qt průtok v čase t

Čára překročení m‐denních průtoků  Charakterizuje Ch kt i j pravděpodobnost výskytu běžných a minimálních  dě d b t ý k t běž ý h i i ál í h průtoků. Stanovuje ze statistického souboru průměrných  denních průtoků za dlouhodobé období denních průtoků za dlouhodobé období.

Zpracovávané hodnoty čáry překročení m‐denních průtoků  poskytovaných výhradně ČHMÚ: poskytovaných výhradně ČHMÚ: Q30d, Q60d, Q90d, Q120d, Q150d, Q210d, Q240d, Q270d, Q300d, Q330d, Q355d,  Q364d Definice jednotlivých veličin : Q330d („330‐ti denní průtok“)– průměrný denní průtok, který  j dl h d bé je v dlouhodobém období  bd bí dosažen nebo překročen po  330 dní v roce. 330 dní v roce.

Maximální průtoky Maximální průtoky jsou vyvolány významnými srážkami, kdy se voda již  nestačí infiltrovat do půdy (is>ii, ii je intenzita infiltrace). S růstem Hs klesá vliv ii na velikost povrchového odtoku. Maximální  výška infiltrované vody za významných srážek Hi ≈ 60 ÷ 100 mm Důsledkem extrémních srážek – průtokové povodně charakterizované  hydrogramem y g průtoku Q=f(t). p Charakteristické veličiny povodňové vlny  9 Kulminační průtok  9 Doba trvání vzestupné větve Doba trvání vzestupné větve 9 Doba trvání sestupné větve 9 Objem povodňové vlny

Čára překročení N‐letých průtoků  Charakterizuje Ch kt i j pravděpodobnost výskytu extrémní průtoků.  dě d b t ý k t t é í ůt ků Stanovuje ze statistického souboru maximálních průtoků v  každém roce pozorování případně doplněného o maximální každém roce pozorování, případně doplněného o maximální  průtoky dalších mimořádných povodní v roce.

Zpracovávané hodnoty čáry překročení m‐denních průtoků  Zpracovávané hodnoty čáry překročení m‐denních průtoků poskytovaných výhradně ČHMÚ: Q1, Q2, Q5, Q10, Q20, Q50, Q100 3000 Q100 =2674 2500

Q [m3 .s-1 ]

2000 1500 1000 Q2 =828

500 p=0 01 p=0.01

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 p [-]

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Definice jednotlivých veličin Q50 („50‐ti letý průtok“)– maximální průtok dosažený  nebo překročený v  b ř k č ý dlouhodobém období s  pravděpodobností jednou za pravděpodobností jednou za  50 let.

Hydrologické předpovědi Hydrologické předpovědi netermínované 9 Neudává Neudává se datum ani čas výskytu jevu, pouze pravděpodobnost  se datum ani čas výskytu jevu pouze pravděpodobnost výskytu (například N‐leté a m‐denní průtoky) H drologické předpo ědi termínované Hydrologické předpovědi  termíno ané 9 Krátkodobé předpovědi – v minulosti využití metod tendencí  nebo postupových dob, nyní využití matematického modelování

9 Sezónní Sezónní předpovědi předpovědi – předpověď odtoku z tajícího sněhu na  předpověď odtoku z tajícího sněhu na počátku jarního období, předpověď průtoků při dlouhodobém  období sucha

Závěr 9 Základní pracovní metody hydrologie Vodní bilance 9 Vodní bilance 9 Měření a vyhodnocení srážek vodních stavů a průtoků 9 Extrémní průtoky, čáry překročení m‐denních a N‐letých průtoků 9 Základní možnosti hydrologických předpovědí

Doporučené odkazy pro hlubší studium  Kemel: Klimatologie, meteorologie a hydrologie,  ČVUT v Praze Fakulta stavební ČVUT v Praze, Fakulta stavební http://hydraulika.fsv.cvut.cz/Hydrology/vyuka/HYKV/default.htm