2017-03-30 HYDROMETRIA dział hydrologii poświęcony pomiarom parametrów cieków i zbiorników wodnych, obejmuje następujące elementy: stan wody, głębokość,

Prezentacja na temat: "2017-03-30 HYDROMETRIA dział hydrologii poświęcony pomiarom parametrów cieków i zbiorników wodnych, obejmuje następujące elementy: stan wody, głębokość,"— Zapis prezentacji:

1 HYDROMETRIA dział hydrologii poświęcony pomiarom parametrów cieków i zbiorników wodnych, obejmuje następujące elementy: stan wody, głębokość, profil podłużny zwierciadła wody, przekrój poprzeczny koryta rzeki, prędkość przepływu wody, natężenie przepływu wody, transport rumowiska rzecznego, temperatura wody. Tu zajmiemy się pomiarami przepływu wody (głębokość, szerokość, prędkość = przeplyw) 1.

2 Stany wody Łaty wodowskazowe (odczyty wizualne)
Stany wody Łaty wodowskazowe (odczyty wizualne) Samopisy (limnigrafy): analogowe, cyfrowe( różne typy czujników). Seba typ MDS, typy czujników: przetwornik ciśnieniowy potencjometr (sonda z systemem pływaków) SMOK

3 LIMNIGAF-przykład Typ LPU-10

4 METODY POMIAROWE – prędkości wody, natężenia przepływu (1)
z użyciem młynka hydrometrycznego z użyciem prądomierza elekromagnetycznego metody integracyjne

5 Pomiar młynkowy v=a+bxn pięciopunktowy
sześciopunktowy (przy zarastaniu i pod lodem) dwupunktowy jednopuktowy (raczej rzadko stosowany) v=a+bxn n[obr/s]

6 Pomiar hydrometryczny – w bród

7 Pomiar mostowy

8 Pomiary pod pokrywą lodową
Wykres profilu pomiarowego z charakterystyczną linią lodu ( pokrywa lodu od spodu), która "daleka" jest od linii prostej. Zwykle w warunkach naturalnych ukształtowanie linii lodu od spodu  nie jest takie same na długości cieku, stąd linia lodu zaprezentowana na rysunku jest cechą szczególna tylko dla danego przekroju pomiarowego.

9 Młynkowanie pod lodem Pomiary pod lodem są specyficznym rodzajem pomiarów hydrometrycznych wykonywanych przez ekipy pomiarowe Państwowej Służbie Hydrologiczno-Meteorologicznej ze względu na porę roku (nie zawsze przychylną w pracach terenowych), jak i ze względów merytorycznych wynikających ze szczególnych oporów ruchu wody pod pokrywą lodową.

10 Pod lodem (2) Zaprezentowane rozkłady prędkości  przepływu (tachoidy) w  poszczególnych pionach  są cechą szczególną dla pomiarów wykonywanych pod pokrywą lodową  i są one odmienne od typowych rozkładów, jakie występują przy swobodnym przepływie wody w rzekach w warunkach normalnych (już bez pokrywy lodowej lub bez innych czynników zakłócających takich jak np. zarastanie).

11 Pomiar prądomierzem elektromagnetycznym
Wykorzystanie prawa indukcji magnetycznej Faradaya Napięcie na elektrodach: U=b*B*v b – odległość pomiędzy elektrodami B- indukcja pola magnetycznego [T]=tesla v – prędkość przepływu [m/s] Poruszająca się w tym polu woda powoduje indukowanie się w niej siły elekromotorycznej o napięciu – U.

12 METODY POMIAROWE - integracyjne
METODY POMIAROWE - integracyjne metody integracji powierzchniowej, w której stosowano dwa rodzaje zestawów: - z użyciem młynka, napowietrznych dalmierzy elektroakustycznych i analogowej echosondy do pomiarów głębokości - z użyciem zestawu ultradźwiękowego, metody wykorzystującej akustyczne zjawisko Dopplera - ADCP (Akustyczny, dopplerowski prądomierz profilujący). Stosowane aktualnie w pracach Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej IMGW . Dzięki ofiarności ekip pomiarowych Państwowej Służby Hydrologicznej-Meteorologicznej IMGW wykonano wiele pomiarów przy wysokich stanach wody, które w niniejszym opracowaniu stanowiły trzon analizy parametrów hydraulicznych przepływów rzeki Wisły w Warszawie.

13 Metoda integracji powierzchniowej (metoda ruchomej łodzi)
Metoda integracji powierzchniowej (metoda ruchomej łodzi) Metoda integracji powierzchniowej (metoda ruchomej łodzi) polegała ona na jednostajnym przemieszczaniu się łodzi wzdłuż linii przekroju poprzecznego. Z łodzi prowadzone są jednocześnie pomiary głębokości echosondą oraz prędkości przepływu w warstwie przypowierzchniowej młynkiem hydrometrycznym (ultradźwiękowym miernikiem prędkości). z użyciem młynka 1- stacja główna dalmierza mikrofalowe HDM 80, 2 – echosonda ultradźwiękowa, 3 – młynek hydrometryczny, 4 – rejestrator prędkości wody, 5 – wysięgnik do umocowania młynka (Ujda 1992) zestaw SONEL 1-przetwornik echosondy, 2 – przetwornik nadawczy dalmierza ultradźwiękowego, 3 – ultradźwiękowy miernik prędkości, 4 – zestaw cyfrowych rejestratorów prędkości, odległości i głębokości, 5 – mikrokomputer połączony z rejestratorami, 6 - wysięgnik do umocowania miernika ultradźwiękowego 14.

14 ADCP Akustyczny, dopplerowski prądomierz profilujący 15. 2017-03-30
Skrót ADCP pochodzi od słów Acoustic Doppler Current Profiler (Akustyczny, dopplerowski prądomierz, profilograf). Mierzy on pionowy rozkład prędkości wody przy wykorzystaniu energii akustycznej. Impuls energii (zwany „ping”) jest nadawany, jak ma to miejsce w sonarach łodzi podwodnych, ale na znacznie wyższych częstotliwościach. Wysłana energia impulsów odbija się od cząstek zawieszonych w wodzie (i poruszających się z nią), po czym cześć jej wraca do ADCP. Przyrząd ten mierzy przesunięcie Dopplera częstotliwości (jej zmianę) odbitych impulsów i na tej podstawie wylicza prędkość wody. Prądomierz ADCP mierzy również swoją własną prędkość i kierunek względem dna kanału, przy pomocy tej samej techniki użytej do pomiaru prędkości wody. Szczegóły pomiaru różnią się, jako że dno jest twarde (lub prawie takie) w porównaniu do wody. ADCP mierzy sygnały odbite od cząstek w wodzie, dzieli on kolumnę wody na wiele dyskretnych segmentów ustawionych w pionie. Segmenty te są nazywane „komórki głębokości”. ADCP określa prędkość i kierunek ruchu każdej z komórek głębokości. 15.

15 ADCP - diagramy Prądomierz ADCP mierzy większość przepływu wody tuż przed frontem przyrządu do 6% powyżej dna. Specjalistyczny program WinRiver estymuje wydatek w tych rejonach z użyciem kilku wartości wprowadzonych przez użytkownika. Wydatek warstwy górnej (nie podlegającej pomiarowi wcale) i dennej (nieużytecznej wskutek efektów przydennych i obszarów przy krawędziach bocznych – zbyt płytkich, by otrzymać wartościowy pomiar) jest ekstrapolowany na podstawie dobrych danych z przyległych rejonów zmierzonych. Ekstrapolacja wydatku w warstwie górnej i dolnej może być zrealizowana przez program WinRiver dwoma metodami. Jedna metoda zakłada użycie prędkości z najbliższych komórek głębokości przyległych, jako prędkości w brakującym rejonie. Jest to nazwane stałą ekstrapolacją. Inną metodą jest wyznaczenie krzywej wykładniczej rozkładu prędkości pionowych w obszarze profilu dobrych pomiarów i przedłużenie jej do granic całego profilu. Prawo krzywej wykładniczej dla warstw górnej i dolnej jest dobrym wyborem dla typowych warunków przepływu. Można wybrać wykładnik potęgi, przy którym jest najlepsza aproksymacja krzywą, rozkładu rzeczywistego prędkości w profilu badanego kanału. 16.

16 pomiary prędkości i pomiary spadku zw
pomiary prędkości i pomiary spadku zw.wody, pomiary geodezyjne (przekroje podłużne i poprzeczne)

17 Spadki zw. wody

18 POMIERZONE SPADKI ZW. WODY
19.

19 Przekroje poprzeczne (Modlin)
Charakter erodujący wynikł ze znaczących prędkości przepływów i sporych przegłębień w profilach pomiarowych w obrębie posterunków wodowskazowych WARSZAWA-port praski i Modlin. Szczególnym tego przypadkiem było wezbranie z kwietnia 2000 roku. Dynamika przepływu w tym czasie była tak duża, że “zmiotła” ogromne ławice piasków w Modlinie jakie się zwykle akumulowały na brzegu prawym. O wezbraniu o charakterze sedymentującym decydowały duże ładunki materiału unoszonego, jakie wystąpiły podczas wezbrania z lata 2001 oraz znacznie niższe prędkości przepływu w porównaniu z wezbraniem 2000 roku.; niższe prędkości podczas wezbrania 2001 roku spowodowały znacznie mniejszą erozję koryta rzecznego na Wiśle w Warszawie

20 PARAMETRY GEOMETRYCZNE
PARAMETRY GEOMETRYCZNE powierzchnie przekrojów kształty przekrojów głębokości średnie głębokości maksymalne Analiza parametrów geometrycznych rzeki (przekroje, głębokości, położenie dna) wykazała, że w odróżnieniu od pozostałych, w przekroju WARSZAWA-port praski występują dwa różne typy wezbrań: o charakterze erodującym w okresie lat i o charakterze sedymentującym – po roku 2000; dowodem tego może być układ dna rzeki przedstawiony na rysunku

21 Pomiary rumowiska rzecznego, materiału unoszonego
Transportem rumowiska rzecznego nazywamy proces poruszania cząstek rumowiska przez płynącą wodę i przenoszenia w dół rzeki. Celem badań hydrometrycznych jest określenie ilości transportowanego rumowiska. Miarą jest masa transportu, przedstaiwiająca masę suchego rumowiska rzecznego przechodzącego przez określony przekrój rzeczny w ciągu określonego czasu (rok, miesiąc, doba) wyrażona w jednostach masy – T [kg] lub T [ton] lub objętości transportu M [m3] pomiary natężenia materiału unoszonego polegają na pomiarze w określonym punkcie przekroju hydrometrycznego wartości zmącemia - p [mg/l], [kg/m3]; Natężenie transportu unoszonego w przekroju wyliczamy ze wzoru: U = pm*Q Gdzie: U – natężenia unoszenia w przekroju [kg/s], pm – średnie zmącenie w przekroju Q – natężenie przepływu w przekroju [m3/s]. unosiny

22 Wpływ materiału unoszonego na przepustowość rzeki Wisły w Warszawie podczas wysokich wezbrań Przykład krystalicznej wody podczas wezbrania kwietniowego w roku 2000 przy stanie 660 cm na wodowskazie WARSZAWA-port praski Tak duże zróżnicowanie w dynamice przepływu nie wyklucza wpływu niesionego materiału unoszonego wody Wisły w czasie wysokich stanów wód. W tym przypadku nie ma szczegółowych badań w zakresie materiału unoszonego. Wygląd wody zaobserwowany w czasie wezbrań w roku 2000 i w roku 2001 świadczy o sporym zróżnicowaniu ładunku materiału unoszonego niesionego przez wezbraniowe wody . Podczas wezbrania w kwietniu 2000 roku woda w Wiśle w Warszawie w profilu pomiarowym była bardziej krystaliczna w stosunku do wezbrania z sierpnia 2001 roku. Stąd z pewnym przybliżenie można sądzić, że ładunek materiału unoszonego podczas wezbrania z roku 2000 był znacznie niższy niż w roku 2001. Świadczą o tym również zróżnicowanie w prędkości przepływu w czasie wezbrań w roku 2000 i w roku Z dużym prawdopodobieństwem, prędkości panujące w lecie 2001 roku były tak dalece obciążone materiałem stałym, że przy stanach wysokich już nie wzrastały – prędkości maksymalne utrzymywały się w tym czasie w granicach 3 m/s, a podczas pomiarów nie zaobserwowano ich wzrostów. Podczas pomiaru w dniu roku z dziobu łodzi pomiarowej wyraźnie było widać młynek hydrometryczny, a podczas pomiarów w sierpniu 2001 roku mętna woda w Wiśle sprawiła, że młynek nie był widoczny. Zmętniała woda podczas wezbrania letniego w roku 2001 przy stanie 625 cm na wodowskazie WARSZAWA-port praski

23 Nadwilanówka- zdjęcie lotnicze
Nadwilanówka- zdjęcie lotnicze W obrębie strefy korytowej wyróżniają się charakterystyczne rejony sedymentacji osadów rzecznych: przemiałowy — w zasięgu oddziaływania strumieni prądowych o średniej intensywności; zastoiskowy — w zasięgu oddziaływania bezprądowych zastoisk wodnych lub słaboprądowych strumieni powodujących osadzanie w ich dnie części iłowych i pyłowych koryciskowy – w zasięgu oddziaływania zastoisk odciętych od stałego przepływu wód; kępowy – (Ilustracja III-5);w zasięgu oddziaływania przemiennego strumieni prądowych o zróżnicowanej intensywności oraz okresowych zastoisk wodnych osadzających materiał iłowy i pyłowy; dziarniowy – w zasięgu oddziaływania strumieni prądowych o najwyższej intensywności; płyciznowy – w zasięgu wzajemnego oddziaływania strumieni prądowych o najniższej intensywności oraz oscylacyjnych ruchów wody związanych z falowaniem; wybojowy – w zasięgu oddziaływania pionowych wirów śrubowych o wysokiej intensywności; buforowy – w zasięgu oddziaływania dynamicznych strumieni prądowych skierowanych prostopadle lub skośnie do krawędzi brzegowych koryta lub obrzeży kęp wiślanych;osypiskowy – w zasięgu erozyjno-akumulacyjnego oddziaływania strumieni prądowych pod krawędziami brzegów oraz kęp wiślanych.

24 Tranzyt aluwiów km:498 km:494 km:500 Przykłady ze zdjęć lotniczych
wykonanych przez Ośrodek Hydrologii IMGW 10.

25 Krzywa natężenia przepływu
Krzywa natężenia przepływu Związek pomiędzy stanem wody w cieku, a prędkością przepływu Q=f(H) Dla roku 2001 Istotnym wyznacznikiem odmienności przepływów z lat a przepływami wezbraniowymi z roku 2001 jest rozchylenie się górnych gałęzi krzywych przepływów (np. dla stanu 650 cm takie rozchylenie sięga od ok m3/s do ok m3/s, tj. o ok m3/s).

26 PARAMETRY DYNAMICZNE-prędkości
Nadwilanówka Modlin WARSZAWA PARAMETRY DYNAMICZNE-prędkości Układ prędkości wód średnich i maksymalnych w przekrojach Wisły jest charakterystyczny w przekroju WARSZAWA-port praski; o ile zależności prędkości od stanu wody w przekrojach z większą strefą zalewów w rejonie Nadwilanówki i Modlina wykazują malejące przyrosty prędkości przy wzroście stanów, o tyle w przekroju WARSZAWA-port praski zależność jest odwrotna, gdyż małą szerokość koryta powyżej wody brzegowej powoduje tendencję wzrostową prędkości wody wraz z przyrostem stanu.

27 Ruch wody w korytach rzek
Zjawiska otaczające nasze środowisko przyrodnicze mają zawsze mniejsze lub większe podstawy teoretyczne z dziedziny praw fizycznych, chemicznych czy też biologicznych. Ruch wody w korytach rzek Cechuje: zmienność wymiarów zmienność kształtów Opory ruchu : - szorstkości - wsp. prędkości i inne prędkość przepływu spadki energii spadki zw.wody spadki dna W korytach rzek elementy ruchu strumienia mogą się zmieniać w czasie i na długości drogi. Ruch, w którym średnia prędkość nie zmienia się w czasie, natomiast zmienia się na długości, nazywa się ustalonym nierównomiernym. Jeżeli wymiary i ukształtowanie kolejnych przekrojów poprzecznych na pewnym odcinku są od siebie na tyle zbliżone, że różnice między nimi, a stąd i między prędkościami przepływu, ocenia się jako nie mające dla danego zadania istotnego znaczenia, to ruch na takim odcinku traktuje się jako jednostajny lub ustalony równomierny. Do obliczeń układów zwierciadła wody w korytach rzecznych stosuje się tzw. wzór różnicowy, będący wynikiem przekształcenia równania Bernoulliego . OPORY RUCHU Opory te kształtowane są przez liczne i różnorodne czynniki, z których wymienia się zwykle: tarcie zewnętrzne, zmienność kształtów i wymiarów przekrojów poprzecznych, uruchomienie i transport rumowiska rzecznego, lokalne przeszkody utrudniające przepływ wody w korycie, roślinność zarastającą koryto, nieregularność i krzywizny układu poziomego. Całkowity opór koryta jest sumą oporów cząstkowych, wynikających z oddziaływania ww. czynników.

28 SUPLEMENT Charakterystyka rzeki Wisły
Znaczące wezbrania z lat (na Wiśle środkowej) powodziowa tragedia w Czechach czy nam to też grozi ?

29 Charakterystyka hydrologiczna Wisły
Charakter zlewni rzeki i jej zasilania kształtują przepływy wód osiągające od 100 m3/s do 4500 – 5500 m3/s przy stanach niskich i wysokich i ok m3/s przy stanach średnich. Transport roczny unosin wynosi ok. 3 mln ton, a transport trakcji dennej wynosi ok. 870 tys. Ton. Głębokości wody, wielkość i forma przekrojów przepływu i ich prędkości kształtuje specyficzne układy erozyjne i sedymentacyjne w obrębie koryta rzecznego i tarasu zalewowego, tworząc strefy sedymentacji kępowej i łegowej. korytarz ekologiczny doliny Wisły, istotny zwłaszcza w rejonie zurbanizowanym Wisła w Warszawie jest dużą rzeką o charakterze tranzytowym. Odwadnia obszary o dużym zróżnicowaniu hydrograficznym – góry, wyżyny, niziny. Obszary te są zasilane opadami w różnym czasie i pod różną postacią. Przepływ średni roczny w wieloleciu wynosi 568 m3/s, co oznacza, że w Warszawie przepływa 17,9 mld m3 wody rocznie. Analiza zmienności podstawowych parametrów hydraulicznych koryta rzecznego wskazuje na specyficzne procesy hydrodynamiczne występujące w przewężeniu rzeki Wisły w Warszawie. W ich wyniku jak również skutkiem działań urbanizacyjnych trwających na przestrzeni wielu lat, a nawet wieków, nastąpiło wyprostowanie i zwężenie koryta do ok. 500 m przy ekstremalnym zwężeniu w rejonie mostu Śląsko-Dąbrowskiego do ok. 350 m.

30 Korytarz ekologiczny kępy powiśla strefa sedymentacji korytowej
kępy powiśla Kształtowaniu strefy sedymentacji korytowej i łęgowej. W pierwszym przypadku w zróżnicowanych rejonach sedymentacji osadów rzecznych roczne tempo ich przyrostu wynosi od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów. W podobnym tempie równolegle występuje erozja osadów korytowych. Różnicują się przy tym warunki siedliskowe dla roślinności i fauny wodnej. Sedymentacja łęgowa następuje w wyniku przesuwania się naturalnego koryta rzeki i przebudowy doliny zalewowej, tworząc charakterystyczne wyspy rzeczne – kępy o wyraźnie warstwowej budowie. Dalsze procesy sedymentacyjne utwardzają te kępy i wynoszą ich powierzchnię nawet do 4,5 m ponad zwierciadło wód niskich. Przyjmują one nazwę ostrowów, stanowiąc naturalne siedliska zadrzewień łęgowych, a wraz z kępami i po połączeniu z brzegami tworzą nowe obszary lądowe zwane powiślami. Procesy te występują na terenie zwężenia doliny w obrębie “gorsetu warszawskiego”, komplikując warunki przepływu wód wezbranych. strefa sedymentacji korytowej strefa sedymentacji łęgowej

31 Wezbrania 1998 1999 2000 www.kasprzak.waw.pl/galeria_wisla 2017-03-30
4)Opory ruchu analizowane w oparciu o wyliczone współczynniki: szorstkości Manninga (n) i prędkości Chezy (C) wykazały stosunkową mniejszą zmienność w przekrojach od innych rozpatrywanych parametrów; tym nie mniej w obrębie przekroju WARSZAWA-port praski wartość współczynnika prędkości C wykazuje dość charakterystyczną cechę – trend zmniejszenia wartości po przekroczeniu stanu wody brzegowej, wywołany interakcją w strefie korytowej i na terenach tarasu zalewowego; w przekrojach Nadwilanówka i Modlin zależności te nie są już tak wyraźne, chociaż w Modlinie ogólna tendencja zmniejszenia współczynnika C powyżej poziomu wody brzegowej mogłaby wskazywać na taką interakcję. 5)Przepustowość Wisły w przekroju WARSZAWA-port praski scharakteryzowano przy pomocy krzywej natężenia przepływu, wyróżniając jej dwie gałęzie w strefie stanów wysokich – dla przepływów z lat i po 2000 roku. Istotnym wyznacznikiem odmienności przepływów z lat a przepływami wezbraniowymi z roku 2001 jest rozchylenie się górnych gałęzi krzywych przepływów przedstawionych na rysunku VI-50 (np. dla stanu 650 cm takie rozchylenie sięga od ok m3/s do ok m3/s, tj. o ok m3/s). W aspekcie zebranych materiałów pomiarowych można było wyciągnąć określone wnioski dotyczące wystąpienia dwóch typów wezbrań rzeki Wisły w tzw. “gorsecie warszawskim” w latach , tj.: wezbrań o charakterze erodującym (dotyczy to wezbrań z lat ), wezbrań o charakterze sedymentującym (dotyczy to wezbrania roku 2001). 2000

32 Powódź w Czechach W prasie i TV trwają dyskusje dlaczego, kto temu winien, co dalej robić itp. Ciekawe jest to, że kilka lat temu przeprowadzono badania i symulacje powodzi która dokładnie odpowiadała temu co stało się w tym roku. Wnioski z badań częściowo uwzględniono w planach obrony przeciwpowodziowej. Charakter erodujący wynikł ze znaczących prędkości przepływów i sporych przegłębień w profilach pomiarowych w obrębie posterunków wodowskazowych WARSZAWA-port praski i Modlin. Szczególnym tego przypadkiem było wezbranie z kwietnia 2000 roku. Dynamika przepływu w tym czasie była tak duża, że “zmiotła” ogromne ławice piasków w Modlinie jakie się zwykle akumulowały na brzegu prawym. O wezbraniu o charakterze sedymentującym decydowały duże ładunki materiału unoszonego, jakie wystąpiły podczas wezbrania z lata 2001 oraz znacznie niższe prędkości przepływu w porównaniu z wezbraniem 2000 roku.; niższe prędkości podczas wezbrania 2001 roku spowodowały znacznie mniejszą erozję koryta rzecznego na Wiśle w Warszawie

33 Praha 2002

34 Czy nam to też grozi ? 1635 rok - „Wisła tak rozlała, że na Pradze tylko dachy domów było widać i na 4 mile ku Radzyminowi pola i wioski zalane z wielką szkodą gospodarzy” wg Albrychta St. Radziwiłła. „Powódź z 1813 r., niezwykle gwałtowana, zalała tereny przyległe wraz z Wilanowem i Parkiem Łazienkowskim” (stan sprawdzony do wodowskazu WARSZAWA-port praski 804 cm) „W roku 1839 były już bulwary kamienne, ale zbyt niskie, zostały więc zalane od razu. Rok 1844 przyniósł powódź, której poziom do dzisiaj nie został przekroczony - stan 855 cm (stan sprowadzony do obecnego wodowskazu w Warszawie), szacunkowy przepływ 8223 m3/sek.

35 Zasięg