1.Przedmiot, podział nauk hydrologicznych Hydrologia – nauka o wodzie ; hydros- woda ; logos- nauka , badanie hydrosfery , czyli przestrzeni na ziemi (oceany , morza , rzeki , jeziora , lodowce i wieczne śniegi ) . Procesy zachodzące w przestrzeni powietrznej – atmosferze , jak i na powierzchni Ziemi i wewnątrz skorupy ziemskiej – litosferze . Hydrologia dzieli się wg kryteriów:
-w zależności od metodyki badań wyróżnia się
a)hydrometria – obejmująca obserwacje i pomiary
b)hydrografia – opisywanie zjawisk poznanych w wyniku obserwacji i pomiarów
c)hydronomia – obejmująca badania procesów zachodzących w hydrosferze , wnioski warunki środowiska w którym występuje woda
-wyróżnia się 8 gałęzi hydrologii
a)hydrometeorologia – nauka o wodzie w atmosferze
b)potamologia – nauka o wodach płynących w rzekach na powierzchni ziemi
c)limnologia – nauka o jeziorach i innych zbiornikach wodnych śródlądowych
d)oceanologia – nauka o wodzie mórz i oceanów
e)agrohydrologia (hydropedologia)– woda w obrębie gleby
f)geohydrologia – hydrologia globalna , ujmująca ziemię jako całość
g)hydrogeologia – zajmująca się wodami podziemnymi ( w strefie saturacji )
h)glacjologia – której przedmiotem są wody w lodowcach
i)paludologia – nauka o bagnach
j)krenologia – nauka o źródłach
-ze wg na tematykę wyróżnia się 4działy hydrologii
- a)hydrologia właściwa zajmująca się zagadnieniami występowania i krążenia wody w hydrosferze
- b)hydrofizyka z hydromechaniką – zajmująca się fizyczną stroną zjawisk wodnych
- c)hydrobiologia – traktująca o zjawiskach życia w środowisku wodnym
- d)hydrochemia – nauka o chemicznych właściwościach i przemianach
2. Systemy i procesy hydrologiczne.
Proces- realizacja ilościowa zjawiska w czasie dokonuje się w systemach hydrologicznych.
System- zbiór obiektów działających na przekształcenie procesu wejścia na proces wyjścia
Procesy:
Intercepcja - zatrzymanie wody opadowej przez szatę roślinną
Zwilżanie - zatrzymanie wody opadowej przez środowisko abiotyczne
Parowanie(ewaporacja) - nienasycone (parą wodną) powietrze stykając się z powierzchnia wody i wilgotnymi powierzchniami ciał stałych powoduje proces dyfuzji. Intensywność powstawania zależy od temp otoczenia, od wilgotności powietrza, prędkości jego ruchu i ciśnienia atmosferycznego. Proces odwrotny – kondensacja.
Parowanie terenowe - ilość wody przenikającej do atmosfery w wyniku procesów fizycznych, fizjologicznych, chemicznych i technologicznych [mm] warstwy wody wyprowadzone z danej powierzchni w jednostce czasu.
Składniki:
*parowanie wody z mokrej powierzchni (jeziora, morze)
*parowanie wody opadowej zatrzymanej na powierzchni ... i zwilżającej inne powierzchnie
*parowanie wilgoci glebowej
*sublimacja lodu i śniegu
*transpiracja - para wodna uchodzi z roślin głównie przez liście
*ewapotranspirację - obejmuje transpiracje roślin parowanie z gleby, a także parowanie wody zatrzymywanej na roślinach w wyniku intercepcji.
Odpływ
*powolny ale stały odpływ podziemny
*faza wniknięcia wody opadowej w glebę i przesiąkania przez nią ruchem w przybliżeniu pionowym (infiltracja) wsiąkanie odbywa się w strefie aeracji pod wpływem siły ciężkości. W zależności od stanu wilgoci glebowej woda opadowa wsiąka w głąb ziemi, albo w postaci spływu powierzchniowego odpływa do wód powierzchniowych. Po osiągnięciu przez glebę, w którym utrzymuje ona max. ilość wody kapilarnej bez przejścia jej w formę grawitacyjną rozpoczyna się proces infiltracji – przenikanie wody grawitacyjnej w dół do strefy saturacji (nasycenia). Infiltracja jest hamowana przez parowanie głównie transpirację, która sięga do głębokości najdłuższych korzeni. Po dojściu wody ....... do zwierciadła wód podziemnych woda odpływa do obiektów hydrograficznych (rzek, jezior)
*spływ powierzchniowy - szybki i nieregularny zwłaszcza z opadów nawalnych i intensywnych roztopów.
5. Pomiary opadów atmosferycznych oraz budowa i schematy działania przyrządów pomiarowych Opad jest to produkt kondensacji pary wodnej, który w stanie stałym lub ciekłym dociera do powierzchni tereny. Wysokość opadu jest to wysokość warstwy wody, która powstałaby na powierzchni terenu, gdyby powierzchnia była płaska i szczelna.[mm] Opad jest mierzony punktowo na stacjach opadowych za pomocą różnego typu deszczomierzy. Średnie opady atmosferyczne, czyli tzw. wskaźniki opadowe, określa się na podstawie wysokości opadów zmierzonych w różnych punktach zlewni. Objętość opadu jest to całkowita ilość wody jaka spadła na dany obszar.[m3] [litr]. jest to zatem średnia wysokość warstwy wody pomnożona przez powierzchnię. Rodzaje opadów: deszcz, mżawka, śnieg, krupy śnieżne, grad, krupy lodowe, ziarna lodowe, śnieg ziarnisty. Przyrządy do pomiaru opadu-Deszczomierze, pluwiografy. Deszczomierze to najczęściej blaszane pojemniki o określonej powierzchni wlotu. Mimo prostej konstrukcji pomiar opadu obarczony jest błędami wywołanymi deformacją strugi w pobliżu samego deszczomierza, zwilżeniem ścianek naczynia przez opad, parowaniem wody ze zbiornika( poprawka w lecie – parowanie 0.2-0.5mm na dzień).. W celu uniknięcia błędu pomiaru spowodowanego wiatrem stosuje się osłony deszczomierzowe. Deszczomierz Hellmanna –przyrząd standardowy stosowany do wysokości 500mnpm. Składa się z odbiornika, podstawy, zbiornika, wkładki(używanej podczas opadu śniegu) oraz trzymadła służącego do zawieszania na paliku( na wys.1m). Powierzchnia standardowa wlotu: 200 cm2. powyżej 500mnpm – montuje się na wysokości 1,5 m. Pomiar wys. opadu jest przy użyciu specjalnie wyskalowanej do tego celu menzurki, posiadającej w dolnej części skalę skażoną pozwalającą na odczytywanie z dokładnością do 0,1mm opadów mniejszych od 1mm. menzurka dostosowana jest do powierzchni standardowej deszczomierza równej 200 cm2 i wyskalowana bezpośrednio w mm wysokości opadu. Pluwiografy – urządzenia rejestrujące wysokość opadu w czasie. Zbudowany tak jak większość samopisów z obudowy metalowej, części chwytnej składającej się z otworu wlotowego o powierzchni standardowej (200 cm2) zakończonej dnem wykształconym w postaci lejka. Zbierany opad poprzez lejek, wężem gumowym dostaje się do zbiorniczka w którym znajduje się pływak. Przymocowane za pomocą prętu połączonego z pływakiem piórka przylegające do taśmy papieru nawiniętej na bęben, poruszany mechanizmem zegarowym kreśli pluwiogram, przedstawiający aktualny stan wody w zbiorniczku odpowiadający sumie opadów od początku do momentu analizowanego.
6. Definicja opadu średniego (normalnego) Opad średni (normalny)- średnia arytmetyczna rocznych sum opadów z dłuższego okresu. Im krótszy przyjmuje się okres tym większy błąd. Do wyznaczenia średniego opadu powinno się brać 30-40 lat. Normalne wysokości opadów wypośrodkowane dla obszarów Polski na podstawie wyników pomiarów na stacjach sieci opadowej są rzędu 600 mm (w dorzeczu Wisły 604, Odry 583). Na terenie nizinnym zmienność opadu jest mniejsza niż na terenach górskich lub pagórkowatych. Średni opad zlewni- iloraz całej objętości wody opadowej, która spadła na dany obszar powierzchni do tego obszaru. Ps=(ΣPiΔAi)/A gdzie: Ps- średni opad zlewni Pi-średni opad w części zlewni Ai- powierzchnia części zlewni A-całkowita pow. zlewni
W praktyce obliczone wysokości warstwy opadu sprowadza się do wyznaczenia wag za które przyjmowane są części zlewni ΔA do czego służy kilka metod. Do najczęściej stosowanych należą metody: izohiet, wieloboków, hipsometryczna, siatka geograficzna regiony opadowe.
7. Opad śniegu, pomiary, współczynnik śnieżności Opad – jest to produkt kondensacji pary wodnej, który w stanie stałym lub ciekłym dociera do powierzchni terenu. Śnieg - rozgałęzionych, sześciokątnych kryształków lodu, gwiazdek, często pomieszanych z igłami lodowymi. Przy wyższych temperaturach kryształki te w skutek cienkiej powłoki wodnej lub kropelek mgły pokrywających ich powierzchnię łączą się w zwykłe płatki. Kryształy śnieżne - białe okrągłe, rzadziej stożkowate ziarna. Budowa przypominają śnieg a ziarenka są łamliwe i mogą być łatwo rozgniecione. Gdy padają na twarde podłoże wówczas odbijają się i często się rozpryskują. Ten rodzaj opadu występuje przy około 0°. Krupy śnieżne - półprzeźroczyste, okrągłe, rzadziej stożkowate ziarna o średnicy 2-5 mm, składają się z jąder w postaci krupy śnieżnej otoczonej cienka, warstwą lodu. Ziarna te są mało łamliwe. Padają przeważnie w temp powyżej 0°CGrad -opad dużych ziaren lodowych o budowie wielowarstwowej. Średnice duża. Krupy lodowe- opad kulistych nie przeźroczystych ziarenek lodowych o średnicy 2-5 mm o jądrze porowatym otoczonym lodową powłoką. Śnieg ziarnisty opad przejściowy między płatkami śniegu a krupami śnieżnymi. Śnieg powstaje zwykle z chmur: altostratus, nimbostratus, stratocumulus, cumulonimbus, śnieg ziarnisty -stratus. Krupy śnieżne – stratocumulus .Pomiary śniegu: wielkość pokrycia śniegiem terenu widocznego w otoczeniu, grubość pokrywy śnieżnej, grubość warstwy śniegu świeżo spadłego, gatunek śniegu, ukształtowania pokrywy śnieżnej, zawartość wody w śniegu. Obserwacje pokrywy śnieżnej prowadzi się raz dziennie o 7.00. Przyrządami do pomiaru śniegu są laski śniegowe, łaty śniegowe, śniegomierze, wagowe lub objętościowe. Równoważnik wodny śniegu to grubość warstwy wody w [mm] zawartej w śniegu o grubości 1 cm. u=m/hś m-zawartość wody w śniegu, hś-wys. pokrywy snieążnej. Gęstość śniegu - to masa próbki przypadająca na jej objętość G=m/(hś*10) m-masa próbki śniegu 10hś-obj.próbki o pow. 10 cm2 Opad na terenie Polski wykazuje duże zróżnicowanie w przebiegu rocznym. Największe opady występują w miesiącach letnich (lipiec) a najmniejsze zimą (styczeń luty). Pewna część opadów rocznych spada na pow. Ziemi w postaci śniegu, woda w nim zawarta nie odpływa od razu ale jest zatrzymywana w postaci retencji śniegowej do czasu odwilży. Wtedy wsiąka w grunt lub spływa po powierzchni.
8. Wyznaczanie opadu średniego rocznego na określonym terenie 1)Opad- jest źródłem wody na powierzchni ziemi. Występują opady: dobowy, dekadowy, miesięczny, roczny Opad średni roczny – średnia arytmetyczna opadów rocznych z wielolecia, Pśr=ΣPi/n n-ilość lat. Do liczenia opadu średniego bierze się opad co najmniej 15 lat (wielolecia) , aby zapewnić statystyczne odchylenie mniejsze niż 5%. Opad roczny nie jest jednakowy w każdym punkcie na globie ziemskim. Dla Polski waha się pomiędzy 635-730 [mm] 2) Wyznaczanie opadu (metody) a) Porografia -opady średnie roczne rosną od biegunów do równika,* opady wzrastają w miarę zbliżenia się do morza, *gdy przychód wody jest ograniczony to obserwujemy obniżenie opadu, b)kierunek wiatrów *znad morza powodują wzrost opadów,* ze strony lądu (masy powietrza suchego) dają małą ilość opadów c)wysokość nadmorska *w miarę wznoszenia terenu ku górze jest więcej opadów,* im wyżej tym chłodniej (prężność pary wodnej niska, temp. spada) -gdy zlewnia wykształcona mocno, to powoduje, że rozpoczyna się inwersja opadowa d)chorografia terenu-jest to rozłożenie pasm górskich *masy powietrza rozpuszczone *zapas wody w chmurach zmniejsza się po przejściu przez szczyty, *następuje inwersja (czyli obniżenie temperatury), gradient temp. wynosi 1oC/100m -masy powietrza zaczynają się ogrzewać-to powoduje odsunięcie punktu rosy bo pow. ogrzewa się
9. Zmienność wysokości opadu w Polsce, zmienność miesięczna.
Opad – produkt kondensacji pary wodnej, która w postaci stałej lub ciekłej dociera do powierzchni ziemi. Opad zależy od:- odległości od morza, przeważające kierunki wiatrów, wysokość, orografia terenu, szerokość geograficzna. Opady zwiększają się w miarę przesuwania się od biegunów do równika, oprócz tego występuje wzrost opadów w miarę zbliżania się do morza. Jeżeli przeważające kierunki wiatrów są od strony lądu to jest mało opadów, a jeżeli od strony morza to jest więcej opadów, opady również rosną w miarę wznoszenia się tereny ku górze (ze względu na to że im wyżej tym chłodniej i obniża się temperatura punktu rosy).
Zależność pomiędzy wysokością nadmorską a wysokością opadu
W
P=a+b*W
p
a
może wystąpić w bardzo wykształconej zlewni
Orografia terenu
Wilgotne powietrze podnosząc się w górę natrafiając na przeszkodę terenową obniża swój punkt rosy i występują opady. Powietrze podnosi się z gradientem 0,5 oC/100m a po przejściu przez górę opada i nagrzewa się gradientem 1 oC/100m co bardzo szybko ogrzewa powietrze i odsuwa punkt rosy. T o<< T 2 , P o<< P 2
Jest to wiatr halny, opady nie występują po przejściu przez górę lecz powietrze jest ciepłe i silnie wieje.
Nad Bałtykiem jest nisko, potem wysoko ok. 300 mnpm na pojezierzu potem niż polski, więc nisko, potem znów wyżyny np. Góry Świętokrzyskie, potem znów nisko (Kotlina Śląska i Sandomierska), potem znów przedgórze więc wyżej, dalej w dół bo Podhale, a na końcu góry. (pamiętamy że im wyżej tym większy opad). W Polsce przeważające są kierunki wiatrów z północnego zachodu. Długość geograficzna w Polsce zmienia się od 14o na zachodzie do 23o na wschodzie (również ma to wpływ na opady)
Opady średnie roczne: 500-700 mm-niziny nadmorskie 500-700 mm-pas pojezierzy bałtyckich 450-600 mm-niziny środkowe(stepowieją) 650 mm 700 mm- wyżyna śląska i małopolska, 750 mm-Góry Świętokrzyskie, 550-800 mm-wyżyna Lubelska, 500-600 mm-kotlina Śląska, 600-700 mm-kotlina Sandomierska, 600-700 mm- przedgórze sudeckie i karpackie, 500-1000 mm-Sudety, 700-1000 mm-Karpaty, 1300 mm-Beskid Śląski, 636 mm- Kraków , obszarach nadmorskich amplituda zmienności opadów średnich miesięcznych jest mała ok. 6%, w klimacie bardziej lądowym jest ok. 25%.Max wart. opadów przypadają na miesiące ciepłe czerwiec, lipiec, sierpień, najniższe opady są późną jesienią i zimą. Wyjątek stanowi podwyższenie opadów na morzem w listopadzie , bo w tym czasie zawsze jest sztorm. Opady śnieżne są wskaźnikiem hydrologii powyżej 3000 m w Europie wszystkie opady są śniegowe. Współczynnik śnieżności k= Pś/Pśγ (opad śniegowy)/(opad całkowity)
k=1 dla 3000m, k=0,8 na Kasprowym, Jeżeli pominiemy Tatry to największe „k” jest w Krynicy k=0,25, k=0,1 na niżu polskim
opad= woda= żywioł są to zasoby, ale i powodzie. Oberwanie chmury może zalać drogi i zatrzymać ruch np. na drodze międzynarodowej nie można do tego dopuścić.
10. Opady krótkotrwałe, rodzaje, klasyfikacja, ustalenie wydajności deszczów burzowych i natężenie. Wydajność i natężenie opadów. Na wartość okresowych sum opadowych składają się wysokości warstw poszczególnych deszczów, czyli wydajności opadów. Każdy opad ma swój czas trwania. Iloraz wydajności opadu i czasu jego trwania nosi nazwę natężenia ( intensywności). I = P/t gdzie – natężenie opadów, P – wydajność opadu [mm], t – czas trwania [godz.] lub [min] Natężenia opadów mogą być różne – od roszącej mgły lub mżawki do nawałnicy.
def. Deszcze krótkotrwałe- są to deszcze trwające od kilku minut do kilku dni. Jeżeli występuje duże natężenie to deszcze rozlewne. ( mogą one być przyczyna poważnych szkód: zmywów powierzchniowych, przepełnienia kolektorów kanalizacyjnych oraz katastrofalnych wylewów małych rzek i potoków).Im deszcz jest bardziej krótkotrwały tym większe jest jego natężenie i występuje na niewielkim obszarze. Deszcze krótkotrwałe ulewne często występują z gradem, pochodzą z chmur o budowie pionowej (Cumulonimbus) Im deszcz jest mniej krótkotrwały, czyli o dłuższym czasie trwania tym mniejsze jego natężenie, a większy obszar występowania. Pochodzi z chmur typu Stratus i związany jest z frontem ciepłym.
- wg. Chomicza: Ogólne równanie wydajności opadów u w funkcji czasu trwania deszczu ma postać: u= α√t[mm] gdzie: t - czas trwania [min]
α- współczynnik wydajności opadu równy√2k, gdzie k oznacza kolejną liczbę skali Chomicza. Wg skali Chomicz opady o dużym natężeniu podzielone zostały na dwie kategorie: deszcze ulewne – A i nawalne – B. Zaliczenie zaobserwowanego deszczu do określonej kategorii może być przeprowadzone metodą graficzną poprzez naniesienie na wykres u= f(t) punktów o współrzędnych (t,u) lub metodą analityczną, która polega na obliczaniu z równania u= α√t współczynnika wydajności deszczu α i porównanie jego wartości ze współczynnikami αk w tabeli skali Chomicza. Największe zmierzone deszcze nawalne w Polsce zalicza się do kategorii B3 lub B4. Nie są to największe wartości natężeń- na Ziemi deszcze o największej wydajności należą do kategorii B7. Skala Chomicza nie uwzględnia odrębności regionalnych, które zależą od położenia geograficznego i stosunków klimatycznych. Opad , który w pewnej okolicy jest opadem nadzwyczajnym, gdzie indziej może być opadem zdarzającym się stosunkowo często. najlepszą orientację przy klasyfikacji deszczów daje częstotliwość pojawiania się dużego natężenia. na tej zasadzie oparte są skale probabilistyczne, np. skala Lambora (1971).
MarekMaly