Bilans wodny.doc

BILANS WODNY

Definicje:

1. Zasoby wodne są to wszelkie wody znajdujące się na danym obszarze stale lub występujące na nim czasowo    (Dębski).

2. Przepływ średni roczny – Qśr -jest to średnia arytmetyczna przepływów z wielolecia.

3. Średni roczny odpływ - średnia arytmetyczna z odpływów rocznych z wielolecia. Jest to całkowita ilość  wody w mln m3 jaka przeciętnie w ciągu całego roku przepływa przez profil ujściowy, pojęta jako średnia  arytmetyczna z wielolecia (Lambor).

4. Moduł odpływu - dzieląc średni roczny odpływ przez powierzchnię zlewni otrzymamy tzw. moduł odpływu MO.

5. Moduł opadu -odpowiada średniemu rocznemu opadowi z wielolecia MP. Jest to więc normalny opad  roczny wyrażony w mm.

6. Współczynnik odpływu a - jest to liczba niemianowana, mniejsza od jedności. Wielkość ta charakteryzuje potencjał zlewni i po pomnożeniu jej przez 100 charakteryzuje procentowy udział  odpływu w stosunku do opadu.

Bilansowanie zasobów wodnych

Bilansowanie zasobów wodnych polega na porównaniu ilości wody jaka dostaje się do zlewni z ilością jaka  z niej odpływa w danym przedziale czasu (np miesiąc, rok, wielolecie). Możemy utworzyć ogólne równanie bilansu dla wybranej zlewni, porównując ilości wody dopływającej do niej (wejście) z ilością , która odpływa (wyjście) .

Przyjmując, że retencja początkowa zlewni oraz opad atmosferyczny stanowią wejście zaś odpływ ze zlewni straty (głównie na parowanie) i retencja końcowa wyjście, możemy napisać ogólne równanie bilansu:

Wejście = Wyjście

Niech :              Wejście = Z + P

Wyjście = H + S + R

gdzie:   Z - retencja początkowa                            w mm,

              P - opad atmosferyczny                            w mm

              H - odpływ ze zlewni                                          w mm

              S – straty, głównie na parowanie              w mm

              R - retencja końcowa                                          w mm

Stosując ww oznaczenia możemy napisać:

Przekształcając kolejno, otrzymujemy:

Uwaga!. Wielkość DR może być ujemna lub dodatnia. Możemy wówczas napisać:

W przypadku kiedy różnica retencji (DR) równa się zero mówimy o uproszczonym bilansie wodnym zlewni. Równanie przybierze wówczas postać uproszczoną.

Dzieląc równanie  bilansu przez opad otrzymamy:

Oznaczając: S/P = b otrzymamy zależność współczynnika odpływu a od parametru b - współczynnika strat. Możemy napisać:

Uproszczony bilans wodny stosujemy często w przypadku kiedy rozpatrujemy dłuższy okres, np wielolecie. Zdarza się bowiem, że retencja Z na początku okresu równa jest retencji końcowej R.

Wielkość opadu i odpływu określane są bezpośrednio na podstawie obserwacji (deszczomierze, pluwiografy, łaty wodowskazowe, limnigrafy) natomiast straty określa się w sposób pośredni, w zależności od różnych czynników wpływających na ich kształtowanie.

Określając bilans z wielolecia dla danego obszaru posługujemy się wielkościami średnimi czyli:

P - średnią roczną wysokością opadu obszarowego z wielolecia w mm,

H - średnią roczną wielkością odpływu z wielolecia w mm,

S - średnią roczną wysokością strat bilansowych, tzw. deficytem odpływu w mm.

Średni roczny opad obszarowy z wielolecia obliczamy przy zastosowaniu jednej z metod  graficznych, służących do wyznaczania opadu średniego dla danego obszaru. Metody te bazują na danych pochodzących z posterunków opadowych rozmieszczonych na badanym terenie. W przypadku braku  stacji pomiarowych opad średni można określić na podstawie atlasu  klimatycznego.

Średnią roczną wielkość odpływu z wielolecia w przypadku prowadzonych na rzece obserwacji  wodowskazowych ustalamy jako średnią arytmetyczną rocznych odpływów (policzonych przy wykorzystaniu przepływu QS) podzielonych przez powierzchnię zlewni. W przypadku braku obserwacji do obliczenia przepływu średniego rocznego z wielolecia stosujemy wzory empiryczne (np. wzór Iszkowskiego, Kajetanowicza, Punzeta ).

Wzór Iszkowskiego

Wzór służy do obliczania  przepływu średniego rocznego SQ przy danych parametrach zlewni:

P - opad normalny roczny w m,

A - powierzchnia zlewni w km2,

Cs - współczynnik odpływu - wartość stabelaryzowana

               m3/s

gdzie:

              0,03171 - zamiennik wartości wskaźnika opadu wyrażonego w m na przepływ

                           w m3/s

            Wartości współczynnika Cs zawiera tabela 1.

Współczynnik odpływu wg Kajetanowicza uzależnia jego wielkość od średniej wysokości nadmorskiej zlewni oraz od jej powierzchni.

gdzie:

              ag­ - współczynnik odpływu dla rzek górskich,

              an - współczynnik odpływu dla rzek nizinnych,

              Ws - średnia wysokość nadmorska zlewni liczona wg wzoru:

       w m n.p.m.

              Wz - wysokość źródeł, w m n. p. m.,

              Wu - wysokość ujścia  w m n.p.m.

              y   - srednie nachylenie zboczy liczone wg wzoru:

    (%0 )

              A  - powierzchnia zlewni w km2.

Tabela 1

Wartości współczynnika do wzoru Iszkowskiego

Wzór Punzeta

Wzór służy do obliczania przepływu średniego rocznego na terenach całego dorzecza górnej Wisły.

gdzie:

              qR – średni roczny spływ jednostkowy, w

              A - powierzchnia zlewni, w km2,

              P  - średni roczny opad atmosferyczny w dorzeczu, w mm,

              J - umowny wskaźnik spadku podłużnego  DW/L, w %0,

DW - różnica wzniesień pomiędzy źródłami a wysokością przekroju, w km,

L - długość cieku, w km,

              N - wskaźnik nieprzepuszczalności gleb w dorzeczu, charakteryzujący stosunki

geologiczno - glebowe zagospodarowanie zlewni wg tabeli (patrz - J. Ratomski,
H. Witkowska, Podstawy  projektowania regulacji potoków górskich przy uwzględnianiu ruchu rumowiska, Tab.  3.9)

Uwaga!

Wzory na przepływ średni roczny stanowią podstawę (dla cieków nie obserwowanych ) do obliczeń przepływów niższych od średniego.

- p r z e p ł y w     a b s o l u t n i  e    n a j n i ż s z y  Q0

Q0 = 0,2 * n* Qs

- p r z e p ł y w     ś r e d n i     n i s k i  Q1

Q1 = 0.4 * n * Qs

- p r z e p ł y w     z w y c z a j n y  (środkowy)   Q2

Q2 = 0.7 * n * Qs

gdzie:

              n - współczynnik zależny od zdolności retencyjnej zlewni (Lambor, str 324,

                Hydrologia  Inżynierska).

S - Średnia roczna wieloletnia wysokość strat bilansowych to straty na:

- parowanie fizyczne (ze zbiorników, gleby, roślin),

- parowanie fizjologiczne (poprzez żywe organizmy),

- parowanie poprzez reakcje chemiczne,

- ubytki spowodowane przez trudne do zmierzenia odpływy wód podziemnych, a niekiedy

  powierzchniowych.

Wśród w/w strat grupę  najliczniejszą stanowi parowanie fizyczne i fizjologiczne określane często parowaniem terenowym, zależne od wysokości rocznej sumy opadowej, natężenia opadu , od podziału opadu na poszczególne miesiące, średniej temperatury miesięcznej, wilgotności powietrza, wysokości n p. m. , rodzaju upraw, gruntu, rzeźby terenu itp.

Największy jednak wpływ wywierają opady, szata roślinna i temperatura. Na tych wiec parametrach opiera się większość wzorów empirycznych.