Bilansowanie zasobów wodnych
Definicje:
1. Zasoby wodne są to wszelkie wody znajdujące się na danym obszarze stale lub występują- ce na nim czasowo (Dębski).
2. Przepływ średni roczny – Qśr -jest to średnia arytmetyczna przepływów z wielolecia.
3. Średni roczny odpływ - Vśr 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 normal- ny opad roczny wyrażony w mm.
6. Współczynnik odpływu α - 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.
α = MO MP
2
Jednym ze sposobów opracowania bilansu wodnego jest porównanie ilości wody jaka dostaje się do zlewni z wodą zatrzymaną w zlewni oraz ilością jaka z niej odpływa w danym przedziale czasu (np miesiąc, rok, wielolecie).
Ponieważ rozwój przemysłu, różnego rodzaju zjawiska klimatyczne (ciąg lat suchych, mokrych), wymuszają zmiany w zasobach wodnych i sposobach użytkowania wody zmieniają się również składniki bilansu. Stąd konieczność sporządzania różnego rodzaju bilansów. Wy- bór sposobu rozwiązania zależy od rozpatrywanego okresu czasu, od wielkości bilansowane- go obszaru, od celu jakiemu ma służyć bilans itp. Wymaga on dokładnego rozpoznania tere- nu, jego budowy geologicznej, pokrycia, ukształtowania, źródeł zasilania itp.
Bilanse szczegółowe, które oprócz opadu, odpływu i strat na parowanie uwzględniają również retencję opracowuje się głownie dla małych obszarów i dla krótkich okresów czasu.
Dla długich okresów i znacznie większych obszarów wprowadza się uogólnienia po- zwalające na uzyskanie wyników, charakterystycznych dla wielolecia. Mamy wówczas do czynienia z bilansami surowymi polegającymi na zestawieniu opadu i odpływu.
Możemy utworzyć ogólne równanie bilansu dla wybranej zlewni, porównując ilości wody dopływającej do niej (wejście) z ilością, która odpływa (wyjście).
Z + P = H + S + R gdzie:
Z - retencja początkowa [mm], P - opad atmosferyczny [mm], H - odpływ ze zlewni [mm],
S - straty (głównie na parowanie) [mm], R - retencja końcowa [mm].
4
Przekształcając kolejno, otrzymujemy:
P S H R
Z− = + − R Z− = −P (H S+ )
R Z− = ∆ R
∆R P H S= − −
Wielkość ∆R może być ujemna lub dodatnia. Możemy wówczas napisać:
P= H S+ ± ∆ R
W przypadku, kiedy ∆R równa się zero mówimy o uproszczonym bilansie wodnym zlewni.
P= H S+ Dzieląc równanie bilansu przez opad otrzymamy:
H P
S + P = 1
Oznaczając: S/P = β otrzymamy zależność współczynnika odpływu α od parametru β - współczynnika strat. Możemy napisać:
α = −1 β
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 koń- cowej R.
Wielkość opadu i odpływu określane są bezpośrednio na podstawie obserwacji (deszczomie- rze, pluwiografy, łaty wodowskazowe, limnigrafy) natomiast straty określa się w sposób po- średni, 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 [mm], H - średnią roczną wielkością odpływu z wielolecia [mm],
S - średnią roczną wysokością strat bilansowych, tzw. deficytem odpływu [mm].
Średni roczny opad obszarowy z wielolecia obliczamy przy zastosowaniu jednej z me- tod 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 po- dzielonych przez powierzchnię zlewni. W przypadku braku obserwacji do obliczenia prze- pływu średniego rocznego z wielolecia stosujemy wzory empiryczne (np. wzór Iszkowskiego, Kajetanowicza, Punzeta ).
6
Wzór Iszkowskiego
Wzór służy do obliczania przepływu średniego rocznego SQ przy danych parametrach zlewni:
SQ = Qśr =0.03171 cs P A [m3/s]
gdzie:
P - opad normalny roczny [m], A - powierzchnia zlewni [km2],
Cs - współczynnik odpływu - wartość stabelaryzowana
0,03171 - zamiennik wartości wskaźnika opadu wyrażonego w m na przepływ [m3/s].
Wartości współczynnika do wzoru Iszkowskiego
Grupa topograficzna zlewni Współczynnik odpływu Cs
Bagna i niziny
Niziny i płaskie wysoczyzny
Częściowo niziny, częściowo pagórki Pagórki o łagodnych stokach
Częściowo przedgórza, częściowo pa- górki lub strome pagórki
Karkonosze, Sudety, Beskidy (średnie) Wysokie góry
0,20 0,25 0,30 0,35
0,40 0,55 0,6 - 0,7
Kajetanowicz współczynnik odpływu określa następująco:
αg = 0 095. *Ws0 2. *Ψ0 084.
αn = 0 063. *Ws0 25. *Ψ 0 1. gdzie:
αg - współczynnik odpływu dla rzek górskich, αn - współczynnik odpływu dla rzek nizinnych,
Ws - średnia wysokość nadmorska zlewni liczona wg wzoru:
Ws =0 5. * (Wz +Wu) [m n.p.m.]
Wz - wysokość źródeł [m n. p. m.], Wu - wysokość ujścia [m n.p.m.], ψ - średnie nachylenie zboczy:
Ψ ∆
= W
A [ ‰]
∆W W W= z − u
A - powierzchnia zlewni [km2].
8
Wzór Punzeta
Wzór służy do obliczania przepływu średniego rocznego na terenach całego dorzecza górnej Wisły.
QR =qR * A
q P J
R = 0 00001151N 2 05576 0 0647
0 04435
. * . * .
.
gdzie:
qR – średni roczny spływ jednostkowy [ 2 km s
l
⋅ ], A - powierzchnia zlewni [km2],
P - średni roczny opad atmosferyczny w dorzeczu [mm], J - umowny wskaźnik spadku podłużnego ∆W/L [‰],
∆W - różnica wzniesień pomiędzy źródłami a wysokością przekroju [km], L - długość cieku [km],
N - wskaźnik nieprzepuszczalności gleb w dorzeczu, charakteryzujący stosunki geo- logiczno - glebowe zagospodarowanie zlewni wg tabeli (patrz - J. Ratomski, H.
Witkowska, Podstawy projektowania regulacji potoków górskich przy uwzględnia- niu ruchu rumowiska, Tab. 3.9).
