Tekst / Artykuł - [email protected] - Instytut Meteorologii i Gospodarki

Transkrypt

Bogdan OZGA-ZIELIŃSKI, Jerzy SZKUTNICKI, Łukasz CHUDY
Warszawa
KRZYWA NATĘŻENIA PRZEPŁYWU
A PRZEPŁYWY EKSTREMALNE
RATING CURVE AND EXTREME FLOWS
Krzywa natężenia przepływu, mimo rozwoju metod pomiarowych, pozostaje
ciągle podstawowym narzędziem wyznaczania wartości przepływów chwilowych.
Jej poprawność zależy od dobrze wykonanych jednoczesnych pomiarów przepływu i stanu wody. Chociaż w ostatnich latach nastąpił duży postęp w możliwościach pomiarowych dostępnego sprzętu hydrometrycznego, w wielu stacjach
wodowskazowych nie ma danych pomiarowych z zakresu wielkich przepływów.
Dotyczy to szczególnie strefy wielkich przepływów w rzekach o rozległych terenach zalewowych i zmieniających się warunkach hydraulicznych oraz w rzekach
górskich, w których występują duże prędkości i rwący ruch wody. Brak danych
pomiarowych powoduje konieczność ekstrapolacji krzywej. Według Międzynarodowej Organizacji Standaryzacji (ISO1100-2, 1998) współczynnik ekstrapolacji
nie powinien być większy niż 1,5 wartości największego przepływu zmierzonego.
W praktyce zakres ekstrapolacji jest często przekraczany, co ujemnie wpływa na
ocenę wielkich przepływów. Również przepływy minimalne są niejednokrotnie
oceniane na podstawie krzywej ekstrapolowanej.
Obecnie wzrasta zapotrzebowanie na coraz dokładniejsze określanie wartości
przepływów – szczególnie ekstremalnych. Podyktowane jest to rozwojem gospodarczym, intensyfikacją budownictwa wodnego i lądowego, zagospodarowywaniem terenów zalewowych i osłony przeciwpowodziowej. Przepływy ekstremalne
są podstawą do wyznaczania przepływów o określonym prawdopodobieństwie
przewyższenia lub nieosiągnięcia, stosowane jako normy projektowe. Przepływy
maksymalne i odpowiadające im stany wody są najważniejszymi charakterystykami
Prz. Geof. LIX, 3-4 (2014)
86
B. Ozga-Zieliński, J. Szkutnicki, Ł. Chudy
do wyznaczania stref zagrożenia powodziowego (Nachlik i in., 2000; Radczuk
i in., 2001). W ogólnopolskim projekcie wyznaczania stref zagrożenia powodziowego krzywe przepływu są ekstrapolowane do stanów wody odpowiadającym
wartościom przepływu o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 0,2%. Ten
zakres ekstrapolacji w wielu stacjach hydrologicznych jest wielokrotnie większy
niż zalecany przez ISO.
Oddzielnym problemem jest ocena przepływów ekstremalnych w małych zlewniach niekontrolowanych, gdzie charakterystyki statystyczne przepływu są wyznaczane na podstawie zlewni kontrolowanych, w przypadku których, zwłaszcza górskich, odczuwa się niedostatek danych pomiarowych.
Dopóki nie będą powszechnie stosowane metody bezpośredniego lub prawie
bezpośredniego pomiaru przepływu (pomiar elektroakustyczny, kolejka hydrometryczna, przelew pomiarowy itp.) bez konieczności „wchodzenia” do rzeki, krzywa
natężenia przepływu będzie podstawowym narzędziem wyznaczania przepływu
chwilowego, a następnie przepływów charakterystycznych i prawdopodobnych.
Konieczna jest zatem szczególna dokładność jej wyznaczania i ekstrapolacji. Racjonalne zarządzanie ryzykiem powodziowym wymaga nie tylko oszacowania wartości stanów i przepływów ekstremalnych, a następnie określenia stref zagrożenia
powodziowego, ale również informacji dotyczącej oceny niepewności ich ustalenia
(Ostrowski, 1971; Sikorska i in., 2013).
Pomiary przepływu bez wchodzenia do rzeki to prawdopodobnie jeszcze odległa przyszłość, przede wszystkim ze względu na duże koszty zakupu i eksploatacji odpowiednich urządzeń pomiarowych. Jeżeli na razie nie można oczekiwać
poprawy oceny przepływów ekstremalnych na podstawie pomiarów, to jedynym
rozwiązaniem problemu jest udoskonalenie metod wyznaczania i ekstrapolacji
krzywej natężenia przepływu. W Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej –
Państwowym Instytucie Badawczym (IMGW-PIB) opracowano metody, które wnoszą inne podejście w stosunku do powszechnie stosowanej metody graficznej
obszernie ostatnio opisanej m.in. przez O z g ę - Z i e l i ń s k ą i B r z e z i ń s k i e g o
(1994, 1997) oraz B y c z k o w s k i e g o (1996, 1999).
Artykuł jest poświęcony głównie problematyce wartości przepływów ekstremalnych (maksymalnych i minimalnych), bo właśnie ich wyznaczanie budzi najwięcej wątpliwości. Ponadto artykuł stanowi podsumowanie wieloletnich badań
dotyczących metod wyznaczania krzywych natężenia przepływu, zastosowania
tych metod w praktyce służby hydrologicznej oraz uzyskanych wyników weryfikacji krzywych i wartości przepływów Wisły, Bugu i Sanu.
Krzywa natężenia przepływu a przepływy ekstremalne
87
Metody wyznaczania i ekstrapolacji
krzywej natężenia przepływu
W IMGW-PIB opracowano metodę wyznaczania podstawowej krzywej przepływu oraz kilka metod jej ekstrapolacji. Podstawy teoretyczne i zasady stosowania metod oraz programy komputerowe, których autorem jest Andrzej K a d ł u b o w s k i , są zamieszczone w publikacjach (Szkutnicki i in., 2007, 2009, 2009a).
W tym artykule skrótowo przedstawiono ich ogólny opis i przydatność do stosowania w hydrologii inżynierskiej.
Metoda wyznaczania krzywej podstawowej
Krzywa podstawowa jest rozumiana jako opis zależności stan wody – przepływ
w warunkach ruchu swobodnego bez wpływu zmian wegetacji i zjawisk lodowych
przy mało zmieniającym się spadku zwierciadła wody, który odpowiada mniej
więcej spadkowi koryta rzeki przy ustabilizowanym przekroju poprzecznym.
Metoda oparta jest na normie Międzynarodowej Organizacji Standaryzacji (ISO
1100-2, 1998; Guide …, 1994). Do wyznaczania krzywej przepływu na wykresie
zastosowano podziałkę obustronnie logarytmiczną, która ma wiele zalet w stosunku do powszechnie stosowanej podziałki arytmetycznej, zwłaszcza w przypadku
ograniczonej liczby pomiarów natężenia przepływu. Uzyskana krzywa jest poprawna
pod względem hydraulicznym, ponieważ powstaje na podstawie zależności
Q = fe, α, n ( h) (1)
gdzie: Q – natężenie przepływu (m3s-1), h – stan wody (cm), e – stan zerowego
przepływu (cm), α – charakterystyki hydrauliczne koryta rzeki, n – współczynnik
szorstkości.
Charakterystyki h, α, e uzyskuje się na podstawie pomiarów, natomiast n
wyznacza się w sposób opisowy. Charakter funkcji (1) należy rozpoznawać bezpośrednio poniżej stacji wodowskazowej. Strefa ta nazywana jest zespołem czynników kontrolujących albo strefą oddziaływania (rys.1). Czynnikiem kontrolującym
może być przekrój poprzeczny lub odcinek koryta rzeki. Przekrój poprzeczny na
ogół decyduje o przebiegu krzywej przepływu w strefie najniższych stanów wody.
W miarę jego zatapiania rolę czynnika kontrolującego przejmuje koryto rzeki.
Długość koryta kontrolującego zależy od jego kształtu i spadku. W rzekach nizinnych koryto kontrolujące jest dłuższe niż w rzekach górskich o dużym spadku.
We wspomnianych publikacjach oraz w artykule Szkutnickiego (2002) podano
zasady identyfikacji strefy czynników kontrolujących.
Przebieg krzywej przepływu w zależności od czynników kontrolujących przedstawiają schematy (rys. 2, 3). Na rysunku 2 są pokazane typowe kształty krzywej
88
przepływu, a na rys. 3 szczególny przebieg krzywej, stwierdzony w rzekach polskich uregulowanych tamami poprzecznymi lub w miejscach, w których wystąpiła
silna erozja koryta głównego.
Podziałka logarytmiczna umożliwia podział krzywej na jednorodne odcinki,
które
są przebieg
strefamikrzywej,
łączącymi.
Strefy łączące
mają
kształt
zakrzywiony,
rysunkupołączone
3 szczególny
stwierdzony
w rzekach
polskich
uregulowanych
tamami
poprzecznymi
miejscach, wczynników
których wystąpiła
silna erozja koryta
głównego.
a ich zakres
zależy lub
odwcharakteru
kontrolujących.
Krzywą
charakteryPodziałka
logarytmiczna
umożliwia
podział
krzywej
na
jednorodne
odcinki,
które
zuje współczynnik nachylenia β opisany równaniem
połączone są strefami łączącymi. Strefy łączące mają kształt zakrzywiony, a ich zakres zależy
D log Q
od charakteru
czynników kontrolujących.
współczynnik nachylenia β(2)
β = Krzywą charakteryzuje
opisany równaniem
D log(h - e)
Δ log Q
β=
(2)
oraz czułość g wyrażaną stosunkiem
przyrostu
przepływu do przyrostu stanu
Δ log(
h − e)
wody
oraz
czułość γ wyrażaną stosunkiem przyrostu przepływu do przyrostu stanu wody
Dh
gγ == Δh (.3)(3)
D
Q
ΔQ
gdzie oznaczenia jak we wzorze 1.
gdzie
oznaczenia
jak we wzorze
1. przyroście stanu wody świadczy o dużej czułości
Mały
przyrost przepływu
przy dużym
Małyalbo
przyrost
przy dużym
wody świadczy
o dużej
krzywej,
inaczejprzepływu
- małe nachylenie
krzywejprzyroście
pozwala nastanu
dokładniejszą
ocenę wartości
przepływu.
Nachylenie
krzywej
β <–2małe
stwarza
możliwośćkrzywej
najdokładniejszej
wartości
czułości krzywej,
albo
inaczej
nachylenie
pozwalaoceny
na dokładniejnatężenia
przepływu.
szą ocenę
wartości przepływu. Nachylenie krzywej β < 2 stwarza możliwość
najdokładniejszej oceny wartości natężenia przepływu.
wodowskaz
1 przekrój
kontrolujący –
2 przekrój reprezentatywny
I odcinek krzywej koryta kontrolującego –
II odcinek krzywej
średni stan wody
3 przekrój reprezentatywny
koryta kontrolujacego –
III odcinek krzywej
wysoki stan wody
niski stan wody
Rys. 1. Zmiany czynników kontrolujących w profilu podłużnym rzeki (Maidment, 1992)
Fig. 1.
Changeskontrolujących
of control along
river
bed (Maidment,
1992) 1992)
Rys. 1. Zmiany
czynników
w profilu
podłużnym
rzeki (Maidment,
Fig. 1. Changes of control along river bed (Maidment, 1992)
Uwzględniając czynniki kontrolujące i ich zmianę (rys. 1) oraz reprezentatywne
przekroje poprzeczne charakteryzujące koryto rzeki, można wyznaczyć krzywą
natężenia przepływu według schematów przedstawionych na rys. 2 i 3. Dopasowując do nich wyznaczaną krzywą graficznie lub metodą analityczną, należy ocenić zakres stref łączących. Podczas wyznaczania krzywej przepływu zmiany każdego
Teren zalewowy
Koryto
kontrolujące (bez
terenów
zalewowych)
Przekrój
kontrolujący
Przekrój kontrolujący
1
>2
Krzywe
łączące
1
<2
1
log Q
1
log Q
1
log Q
<2
log Q
<2
Krzywa łącząca
>2
Krzywa
łącząca
<2
1
Krzywa przekroju kontrolującego
Krzywa koryta kontrolującego
Krzywa terenów zalewowych
Krzywa terenów zalewowych
Krzywa przekroju kontrolującego
KSZTAŁT KRZYWEJ
Rys. 2. Zależność przebiegu krzywej przepływu od czynników kontrolujących wg ISO (1998)
Formy i materiał dna
Teren zalewowy
Teren zalewowy
Formy i materiał dna
KSZTAŁT KORYTA
Fig. 2. Dependence of rating curve from its control as per ISO (1998)
Fig. 2. Dependence of rating curve from its control as per ISO (1998)
Rys. 2. Zależność przebiegu krzywej przepływu od czynników kontrolujących wg ISO (1998)
Teren zalewowy
Koryto kontrolujące
D
(bez przekroju
kontrolującego)
C
B
(bez terenów
zalewowych, bez
przekroju)
log (h-e)
log (h-e)
log (h-e)
log (h-e)
A
89
90
3. Zależność
przebiegukrzywej
krzywejprzepływu
przepływu w
tamami
poprzecznymi
Rys.Rys.
3. Zależność
przebiegu
w korycie
korycierzeki
rzekiuregulowanej
uregulowanej
tamami
poprzecznymi
(ostrogami) lub
lub oo silnej
erozji
(ostrogami)
silnejnaturalnej
naturalnej
erozji
Fig. 3. Rating curve for river regulated by bankhead or with huge natural erosion
Fig. 3. Rating curve for river regulated by bankhead or with huge natural erosion
Uwzględniając czynniki kontrolujące i ich zmianę (rys. 1) oraz reprezentatywne
przekroje
poprzeczne
koryto rzeki,miarę
możnadopasowania
wyznaczyć krzywą
natężenia
jej parametru
śledzicharakteryzujące
się na bieżąco statystyczną
wykresu,
którą
przepływu
wedługniepewności
schematów przedstawionych
na rysunkach 2 i 3. Dopasowując do nich
jest przedział
Se
wyznaczaną krzywą graficznie lub metodą analityczną,1 należy ocenić zakres stref łączących.
2ù 2
é
Podczas wyznaczania krzywej przepływu
każdego
jej parametru śledzi się na bieżąco
ê å (zmiany
ú
ln Q-ln Q
c)
ú niepewności Se
statystyczną miarę dopasowania wykresu,
którą jest przedział
(4)
Se = êê
ú
(
)
1
N -2
ú
  (ln Q−ln Qûúc )2  2
(4)
Se = 

(N −2Q) – natężenie



gdzie:Q – natężenie przepływu zmierzone,
przepływu
obliczone
c
z
krzywej,
N
–
liczba
wykonanych
pomiarów.
gdzie: Q - natężenie przepływu zmierzone, Qc – natężenie przepływu obliczone z krzywej, N
Wyznaczanie
krzywejpomiarów.
przepływu wykonywane jest za pomocą programu kom- liczba wykonanych
puterowego
KRZYWA
2
dołączonego
do publikacji
(Szkutnicki
i in.,komputerowego
2007).
Wyznaczanie krzywej przepływu wykonywane
jest za pomocą
programu
KRZYWA 2 dołączonego do publikacji (Szkutnicki, Kadłubowski, Chudy, 2007).
ê
ëê
Metody
ekstrapolacji
krzywej
natężenia
przepływu
Metody
ekstrapolacji
krzywej
natężenia
przepływu
WWpraktyce
hydrologicznej
krzywa
natężenia
przepływu
jest zazwyczaj
ekstrapolowana
praktyce
hydrologicznej
krzywa
natężenia
przepływu
jest zazwyczaj
ekstraw polowana
zakresie zarówno
wielkich,
jak i małych
przepływów.
Wynika przepływów.
to z braku pomiarów
w tych
w zakresie
zarówno
wielkich,
jak i małych
Wynika
to
strefach.
Dalece
poważniejszym
problemem
jest
uzyskanie
danych
pomiarowych
w
zakresie
z braku pomiarów w tych strefach. Dalece poważniejszym problemem jest uzyprzepływów
wielkich,
szczególniewgdy
wchodzi
w grę bezpieczeństwo
życia ludzkiego
skanie danych
pomiarowych
zakresie
przepływów
wielkich, szczególnie
gdy
podczas
wykonywania
pomiarów.
Trudność
wykonania
pomiarów
w
strefie
małych
wchodzi w grę bezpieczeństwo życia ludzkiego podczas wykonywania
pomiarów.
przepływów
wynika
przede wwszystkim
ze zmienności
koryta natomiast
rzeki, jego erozji
lub
Trudność natomiast
wykonania
pomiarów
strefie małych
przepływów
wynika
akumulacji.
Duży
wpływ
na
przebieg
zależności
stan
wody
przepływ
w
strefie
niskich
przede wszystkim ze zmienności koryta rzeki, jego erozji lub akumulacji. Duży
stanów wody wywierają zjawiska lodowe i wegetacja w korycie rzeki. Wymagana jest zatem
wpływ na przebieg zależności stan wody – przepływ w strefie niskich stanów
duża liczba pomiarów w różnych okresach roku, śledzenie ewolucji koryt oraz konieczność
wody wywierają zjawiska lodowe i wegetacja w korycie rzeki. Wymagana jest
stosowania współczynników redukcyjnych w warunkach koryt zarastających bądź w okresie
zatem duża
zlodzenia
rzek. liczba pomiarów w różnych okresach roku, śledzenie ewolucji koryt
oraz
stosowania
współczynników
redukcyjnych
warunkach
koryt
Jak konieczność
wspomniano we
wstępie, według
ISO zakres ekstrapolacji
niewpowinien
być większy
zarastających
bądź
w
okresie
zlodzenia
rzek.
niż 1,5 wartości największego przepływu zmierzonego. W niektórych służbach
Jak wspomniano
we się
wstępie,
według
ISO zakres
ekstrapolacji
nie powinien
hydrologicznych
przyjmuje
2 wartości
przepływu
zmierzonego.
W warunkach
rzek
być
większy
niż
1,5
wartości
największego
przepływu
zmierzonego.
W
niektórych
polskich zakres ten jest znacznie przekraczany. Ponieważ nie można w wielu
sytuacjach
zapewnić danych pomiarowych wielkich przepływów, należy stosować kilka metod
ekstrapolacji jednocześnie i porównywać uzyskane wyniki.
W pracy (Szkutnicki, Kadłubowski, Chudy, 2007) wraz z metodą wyznaczania
podstawowej krzywej przepływu zaproponowano kilka sposobów jej ekstrapolacji.
Ekstrapolacja graficzna na podstawie tendencji przebiegu odcinka krzywej. Stosując
91
służbach hydrologicznych przyjmuje się 2 wartości przepływu zmierzonego.
W warunkach rzek polskich zakres ten jest znacznie przekraczany. Ponieważ nie
można w wielu sytuacjach zapewnić danych pomiarowych wielkich przepływów,
należy stosować kilka metod ekstrapolacji jednocześnie i porównywać
uzyskane wyniki.
W pracy (Szkutnicki i in., 2007) wraz z metodą wyznaczania podstawowej
krzywej przepływu zaproponowano kilka sposobów jej ekstrapolacji.
Ekstrapolacja graficzna na podstawie tendencji przebiegu odcinka krzywej. Stosując metodę logarytmiczną wyznaczania krzywej natężenia przepływu,
otrzymuje się proste odcinki w zakresie tych samych czynników kontrolujących.
Odcinki te mogą być ekstrapolowane graficznie w strefie dużych przepływów,
jeżeli wykonano chociaż dwa pomiary po wystąpieniu wody na tereny zalewowe.
Im wyższy jest poziom wody nad terenem zalewowym podczas pomiaru, tym
przebieg krzywej jest pewniejszy. Wynik jednego pomiaru pokazuje tylko orientacyjnie nachylenie górnego odcinka i wtedy należałoby uzależniać jego przebieg
od oporów ruchu. Wzrost oporów ruchu na terenach zalewowych zmniejsza nachylenie krzywej. Metoda logarytmiczna ekstrapolacji krzywej zgodnie z tendencją
prostego odcinka daje większą gwarancję wyznaczenia zależności stan wody –
przepływ niż powszechnie stosowana jej graficzna ekstrapolacja w podziałce arytmetycznej. Metoda logarytmiczna jest przydatna również przy wyznaczaniu krzywej w strefie niskich stanów wody, ponieważ prosty odcinek można prowadzić
z większą dokładnością przez ograniczoną liczbę punktów pomiarowych do stanu
zerowego przepływu.
Ekstrapolacja krzywej natężenia przepływu na podstawie równania Manninga w postaci iloczynu dwóch funkcji. Bezpośrednie wykorzystywanie równania Manninga
2
1
Q=
Arh 3 I
2
n
(5)
gdzie: A – pole powierzchni przekroju, rh – promień hydrauliczny, I – spadek
zwierciadła wody, wymaga pomiaru spadku oraz poprawnej oceny współczynnika
szorstkości, co w praktyce nastręcza duże trudności lub uniemożliwia ekstrapolację. Z tego względu dostosowano i skomputeryzowano metodę według C h o w a
(1959), w której nie wyznacza się bezpośrednio n i I. Prawa strona równania
Manninga jest przedstawiona w postaci iloczynu dwóch funkcji f1 i f2
a zatem
2
f1 (h ) = Arh
f2 (h ) =
I
1
2
n
3
(6)
(7)
92
Q(h) = f1(h) f2(h)
(8)
Funkcję f1(h) można wyznaczyć na podstawie pomiarów geodezyjnych pełnego
przekroju poprzecznego. Natomiast funkcję f2(h) można wyznaczyć, przyjmując
że w wyniku pomiarów otrzymano dla stanu wody hi przepływ Qi (i = 1, ..., k)
lub f2 (hi ) =
f2 (hi ) =
Q(hi )
f1 (hi )
Q(hi )
Ar
2
(9)
(10)
3
h
Uzyskuje się w ten sposób wartości f2(h) dla wszystkich wyników pomiarów.
Wartości tej zależności na wykresie układają się według pewnych prawidłowości,
co w wielu przypadkach ułatwia jej ekstrapolację. Metoda ta jest w pełni oprogramowana. Jednocześnie oprogramowano również równanie Manninga, w którym
jest wymagana subiektywna ocena współczynnika szorstkości n oraz pomiar spadku
zwierciadła wody. Uzyskano w ten sposób możliwość porównania wyników otrzymanych różnymi metodami ekstrapolacji oraz ich wnikliwą ocenę.
Model matematyczny jako narzędzie ekstrapolacji
krzywej natężenia przepływu
W analizie przebiegu transformacji fali wezbraniowej na odcinku rzeki dobre
rezultaty wyznaczania dużych przepływów i ekstrapolacji krzywej zapewnia hydrodynamiczny model oparty na układzie równań de Saint Venanta, uwzględniający
zasadę zachowania masy i pędu. Ponieważ wynikiem tego modelu są nie tylko
przepływy, ale i rzędne zwierciadła wody, możliwa jest weryfikacja uzyskanych
wyników przez porównanie z obserwowanymi wartościami stanów wody. Model
hydrodynamiczny został wykorzystany do analizy krzywych przepływu i ich zmian
na Wiśle i Bugu. Wyniki tych analiz zostaną przedstawione w kolejnym rozdziale.
Model jest obecnie wykorzystywany w prognozach hydrologicznych IMGW-PIB,
gdzie bardzo dokładne wyniki, które zostały potwierdzone w czasie wielkich wezbrań w roku 2010 i 2014.
Metody wyznaczania przepływu w warunkach
zmiennego spadku zwierciadła wody
Istotnym problemem jest wyznaczanie przepływu w sytuacjach zmieniającego
się spadku zwierciadła wody. Zjawisko takie występuje podczas intensywnego
93
przyrostu przepływu (histereza krzywej) albo w wyniku spiętrzenia. Według
terminologii ISO (PN-EN 772, 2001) spiętrzenie jest to „wzniesienie swobodnej
powierzchni cieczy powyżej określonego miejsca w korycie otwartym, wywołane
oporami przepływu”. Spiętrzenie może być wywołane czasowym retencjonowaniem
wody w korycie. Zjawisko to często występuje w ujściach rzek do morza, albo
w połączeniach dopływu z rzeką główną. Dla potrzeb wyznaczania wartości przepływu w warunkach zmieniającego się spadku zwierciadła wody opracowano dwie
metody: metodę stałego spadku oraz metodę modułu przepływu (Szkutnicki i in.,
2009a, 2010). Aby stosować te metody, stacja wodowskazowa powinna być wyposażona w dodatkową podziałkę limnimetryczną do stałej kontroli spadku. Dla
potrzeb polskiej służby hydrologicznej zaproponowano praktyczną metodę modułu
przepływu. Jej główne założenia są przedstawione poniżej.
Na podstawie pomierzonych w warunkach zmiennego spadku zwierciadła
wody, wartości natężenia przepływu Qz oblicza się odpowiadające im wartości
niezależnego od spadku modułu przepływu
Kz =
Qz
1
(11)
Iz 2
Stosując wzór 11, uzyskuje się punkty Kz, przez które przeprowadza się graficznie lub analitycznie wykres zależności K(h). Poszukiwaną wartość przepływu
rzeczywistego w warunkach zmiennego spadku uzyskuje się za pomocą wzoru
1
Qi = K (hi ) * I z 2 (12)
Metoda ta nie znalazła jeszcze powszechnego zastosowania w polskiej służbie
hydrologicznej, ale pozwoliła uzyskać dobre wyniki podczas prowadzonych
doświadczeń.
Zastosowanie metod wyznaczania krzywej natężenia przepływu
Zaproponowane metody zostały zastosowane do weryfikacji zależności stan
wody – przepływ na dużym obszarze kraju (rys. 4). Analiza i weryfikacja krzywych
oraz ich zmiany w czasie objęła stacje wodowskazowe Wisły od Szczucina do
Tczewa, Bugu od Kryłowa do Wyszkowa oraz całe dorzeczu Sanu, dla którego
weryfikowano aktualne krzywe przepływu w 38 stacjach wodowskazowych. Badania na Wiśle i Bugu były prowadzone w stacjach rzek głównych. W dorzeczu Sanu
analizą objęto rzekę główną i jej dopływy. Badania prowadzono dla różnych
potrzeb, a przedmiotem badań były rzeki o zróżnicowanym reżimie hydrologicznym i różnym charakterze ich koryt. W przypadku Wisły i Bugu wykonano weryfikację krzywych przepływu i ich zmiany w okresie 1951-2010. W przypadku Sanu
94
Rys. 4. Stacje wodowskazowe Wisły, Bugu i dorzecza Sanu objęte analizą zależności
Rys. 4 Stacje wodowskazowe Wisły, Bugu
i dorzecza
objęte analizą zależności stan wody – przepływ
stan
wody –Sanu
przepływ
Fig. 4. Gauging sites of the Vistula, Bug and San Rivers taken for rating curves analysis
Fig. 4. Gauging sites of the Vistula, Bug and San Rivers taken for rating curves analysis
9
95
dokonano tylko oceny aktualnych krzywych i porównano je z krzywymi wyznaczonymi na podstawie zaproponowanych metod.
Zaproponowane metody wyznaczania i ekstrapolacji krzywych natężenia przepływu umożliwiły weryfikację krzywych i zmianę historycznych wartości przepływu
oraz poznanie wielu zjawisk dotyczących zależności stan wody – przepływ i różnych problemów z tego wynikających. W tabeli 1 zamieszczono syntetyczne wyniki
analizy na Wiśle i Bugu, zmiany górnych gałęzi krzywych przepływu w czasie oraz
znaczenie tych zmian dla wyznaczania wielkich przepływów i stref zagrożenia
powodziowego. W tabeli 2 przedstawiono w wybranych stacjach wodowskazowych
różnice między wartościami stanów wody i przepływów otrzymanych na podstawie aktualnie stosowanych krzywych przepływu i krzywych opracowanych na
podstawie opisanych metod. W tym przypadku należy zwrócić uwagę na rzeki
górskie, dla których obecnie stosowany sprzęt uniemożliwia wykonanie pomiarów
przepływu. W stacjach wodowskazowych na tych rzekach mamy do czynienia
z dużym przedziałem niepewności krzywych natężenia przepływu.
Krzywe natężenia przepływu na Wiśle i Bugu
Przykładem zmniejszenia zdolności przepustowej koryta Wisły jest stacja wodowskazowa Sandomierz. Wymowne jest tu porównanie zależności stan wody –
przepływ podczas wezbrań w latach 1960 i 2010. Były to wezbrania bardzo
podobne pod względem największego przepływu, jednak stany wody odpowiadające tym przepływom były różne. W roku 1960 największy przepływ Q = 5 410
m3s-1 spowodował stan wody h = 739 cm, nie czyniąc poważniejszych zniszczeń.
Natomiast podczas wezbrania 2010 r. największy przepływ Q = 5 210 m3s-1 spowodował stan wody h = 843 cm, przynosząc katastrofalne skutki. Zmniejszenie
zdolności przepustowej koryta i zmiana krzywej natężenia przepływu w Sandomierzu przedstawione są na rys. 5 i 6. Zjawiska te zostały opisane w pracy (Ozga-Zieliński i in., 2013). Krzywa historyczna w Sandomierzu była poprawnie wyznaczona na podstawie kilku spójnych wyników pomiarów wykonanych w czasie
wezbrania w 1960 r. Krzywa obecnie stosowana w służbie hydrologicznej, o bardzo zmienionym nachyleniu, została zaktualizowana na podstawie opisanych
metod. Jej przebieg został potwierdzony wynikami pomiarów przepływu podczas
wezbrania w 2010 r.
Zmniejszenie zdolności przepustowej koryta i zmiana zależności stan wody
– przepływ w stacji wodowskazowej Dorohusk na Bugu przedstawiono na rys. 7
i 8.
Fig. 5. Rating curve in logarithmic scale for Sandomierz post on the Vistula River, upper red plot – current rating curve,
lower blue plot for 1950-1970 period
Rys. 5. Krzywa natężenia przepływu w podziałce logarytmicznej, Sandomierz – Wisła; wykres górny (czerwony) aktualna,
wykres dolny (niebieski) 1950-1970
96
Fig. 6. Upper part of rating curve in arithmetic scale for Sandomierz post on the Vistula River (notation as on Fig. 5)
11
Rys. 6. Górny fragment krzywej natężenia przepływu w podziałce arytmetycznej Sandomierz – Wisła,
(oznaczenia jak na rys. 5.)
Fig. 6. Upper part of rating curve in arithmetic scale for Sandomierz post on the Vistula River, (notation as on
Fig. 5)
Rys. 6. Górny fragment krzywej natężenia przepływu w podziałce arytmetycznej Sandomierz – Wisła (oznaczenia jak na
rys. 5)
97
Fig. 7. Rating curve in logarithmic scale for Dorohusk post on the Bug River, upper red plot – current rating curve, lower
blue plot for 1957-1979 period
Rys. 7 Krzywa natężenia przepływu w podziałce logarytmicznej, Dorohusk – Bug; wykres górny (czerwony) aktualna, wykres
dolny niebieski 1957-1979
98
Rys. 8. Górny fragment krzywej natężenia przepływu w podziałce arytmetycznej, Dorohusk – Bug (oznaczenia jak na
Rys. 8. Górny fragment krzywej natężenia przepływu
w podziałce arytmetycznej, Dorohusk – Bug; (oznaczenia
rys. 7)
jak
na
rys. 7)post on the Bug River (notation as on Fig. 7)
Fig. 8. Upper part of rating curve in arithmetic scale for Dorohusk
Fig. 8. Upper part of rating curve in arithmetic scale for Dorohusk post on the Bug River, (notation as on Fig. 7)
99
Wisła
Wisła
Annopol
Puławy
Dęblin
Gusin
Warszawa Nad.
Warszawa
Modlin
Kępa Polska
Toruń
Tczew
Kryłów
Strzyżów
Dorohusk
Włodawa
Krzyczew
Frankopol
Wyszków
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
39 119
31 336
26 284
14 440
12 399
8 945
7 221
194 376
181 033
168 956
160 263
84 857
84 540
81 786
68 234
57 264
51 518
50 732
31 846
1 747
1 195
986
809
627
659
297
6 833
7 184
7 659
6 913
7042
7 042
6345
6 124
6990
7 163
7 053
7 080
666
540
631
557
545
974
549
1046
895
770
893
841
1018
515
596
809
801
925
920
597
478
522
517
472
913
532
955
895
748
893
812
985
529
594
702
740
767
790
2,8
10,5
6,42
6,6
4,1
2,8
2,1
3,5
17
61
73
40
109
62
69
4,0
2,6
7,7
4,2
9,6
10,2
6,3
2,6
2,8
Qmax inter.51-67
Qmax 1971-2010
Qmax 1961-2010
Qmax obserw.
hd 1997-2000
2,8
0
91
1,7
2,2
3,6
Qmax 1975-2010
Qmax 1971-2010
Qmax 1969-2010
2,6
33
4,0
3,6
2,0
3,5
2,2
3,4
2
-14
3,3
2,8
0
2,8
22
2,8
61
107
4,0
4,8
hd 1987-2001
3,6
158
Uwagi
29
3.8
130
Nachylenie górnego
Pole
Natężenie
Różnica
Stany wody
odcinka krzywej
powierzchni przepływu
stanów wody
zlewni A
Qmax 1%
Δh=h
–
h
hz(Qmax1%) hd(Qmax1%)
z
d
βz
βd
[km2]
[m3/s]
[cm]
[cm]
[cm]
hz – stan wody według krzywej aktualnej (zweryfikowanej), hd –według krzywej historycznej (dawnej)
βz – nachylenie górnego odcinka krzywej aktualnej (zweryfikowanej), βd – krzywej historycznej (dawnej)
Bug
Bug
Bug
Bug
Bug
Bug
Bug
Wisła
Wisła
Wisła
Wisła
Wisła
Wisła
Wisła
Wisła
Wisła
Zawichost
Wisła
Sandomierz
1
Rzeka
2
L.p.
Stacja wodowskazowa
Table 1. Differences of stages received from historical and current rating curves for gauging sites of the Vistula and Bug Rivers
Tabela 1. Różnice stanów wody wyznaczonych na podstawie historycznych i aktualnych krzywych przepływu w stacjach wodowskazowych
Wisły i Bugu
100
101
Na podstawie tab. 1 oraz rysunków 5-8 można stwierdzić duże zmiany zależności stan wody – przepływ oraz krzywych natężenia przepływu w strefie wysokich
stanów wody. Zakres tych zmian wyrażają różnice stanów wody Δh, jakie odpowiadają przepływowi Qmax1% według krzywej aktualnej hz i krzywej historycznej hd.
Największe różnice stanów wody Δh na Wiśle występują w Sandomierzu, Zawichoście, Annopolu i Puławach i wynoszą od 61 do 158 cm. Świadczy to o zwiększonym ryzyku przerwania wałów oraz o zwiększeniu stref zagrożenia powodziowego na tym odcinku Wisły. Nieco mniejsze, ale również istotne różnice stanów
wody Δh występują w okolicach Warszawy oraz w Kępie Polskiej i wynoszą od 22
do 33 cm. W niektórych stacjach zmiany mają charakter wielokierunkowy. Taka
sytuacja wystąpiła w Warszawie (Ozga-Zieliński i in., 2010; Magnuszewski i in.,
2012). Należy również zwrócić uwagę, że na Wiśle w niektórych stacjach zależność
stan wody – przepływ jest stabilna. Stwierdzono to w stacjach wodowskazowych
Szczucin, Dęblin, Modlin, Toruń. W miarę stabilną zależnością charakteryzuje się
stacja wodowskazowa Tczew. Wyznaczona dla tej stacji krzywa natężenia przepływu
na podstawie pomiarów w 1960 r. pozostaje aktualna dla całego okresu 19502010. Jednakże w okresie 1997-2000 obowiązywała krzywa o większym nachyleniu, która była podstawą wyznaczania stref zagrożenia powodziowego. Krzywa ta
nie powinna być obecnie uwzględniana w pracach projektowych oraz dla potrzeb
wyznaczania stref zagrożenia powodziowego.
Zmniejszenie nachylenia ß aktualnych krzywych natężenia przepływu w stosunku do krzywych historycznych, jako wynik zmniejszenia zdolności przepustowej koryt rzecznych, osiągnęło tak wielki zakres, że należało ustalić, czy zmiany
zaistniały jednorazowo czy też następowały stopniowo. Badania wezbrań historycznych za pomocą modelu hydrodynamicznego oraz badania zmian w korytach
rzecznych w strefie czynników kontrolujących doprowadziły do wniosku, że zmiany
następowały stopniowo (Ozga-Zieliński i in., 2013). W wielu stacjach wyznaczono
okresowe krzywe w strefie wysokich stanów wody i poprawiono historyczne wartości wielkich przepływów. Dotychczas publikowane wartości wielkich przepływów
w licznych dokumentach są obecnie już nieaktualne; tylko wartości autoryzowane
przez IMGW-PIB są obowiązujące.
Na Bugu zmiany zależności stan wody – przepływ są jednokierunkowe i przejawiają się podniesieniem wykresu krzywej przepływu. Różnice stanów wody
odpowiadające przepływom Qmax1% zawierają się w granicach od 17 do 109 cm.
Duży wzrost stanów wody przy tym samym przepływie powoduje zwiększenie
zasięgu stref zagrożenia powodziowego zwłaszcza w nisko położonych terenach
doliny Bugu. Wyznaczono dla wszystkich stacji wodowskazowych na Bugu aktualne krzywe natężenia przepływu, ale dotychczas nie zmieniono w IMGW-PIB
wartości przepływów historycznych.
Obserwowane duże zmiany zdolności przepustowej koryt Wisły i Bugu świadczą o złożoności zjawisk decydujących o zależności stan wody – przepływ, a w kon-
102
sekwencji o przebiegu krzywych przepływu opisujących tę zależność oraz o istotnym problemie wyznaczania wielkich przepływów. Niestacjonarność krzywych
natężenia przepływu w strefie wysokich stanów wody okazała się zaskakującym
zjawiskiem dla hydrologów, gdyż do niedawna przyjmowano względną stabilność
górnych gałęzi krzywych przepływu.
Krzywe natężenia przepływu w wybranych stacjach wodowskazowych
w dorzeczu Sanu
Analiza krzywych przepływu w dorzeczu Sanu została wykonana dla potrzeb
tematu naukowego, którego celem była weryfikacja i modyfikacja metod wyznaczania przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w zlewniach niekontrolowanych. Prace te wymagały wiarygodnych danych
o przepływach maksymalnych Qmax w zlewniach kontrolowanych. W związku z tym
poszukiwano stacji wodowskazowych z możliwie najlepszymi krzywymi natężenia
przepływu i właściwie ocenionymi historycznymi i aktualnymi wartościami przepływów maksymalnych Qmax. Dorzecze Sanu zostało przyjęte za pilotowy system
rzeczny. Mimo innego celu i zakresu badań na Sanie niż wcześniejszych prac na
Wiśle i Bugu, uzyskane wyniki mogą również być przydatne w służbie hydrologicznej do weryfikacji krzywych przepływu na Sanie i jego dopływach. Ponieważ
temat był realizowany w ostatnim czasie, jego ustalenia nie zostały jeszcze wdrożone w praktyce służby hydrologicznej. Przedstawione w artykule wyniki mają
charakter propozycji do ewentualnego wykorzystania.
Spośród 38 stacji wodowskazowych wybrano do artykułu 10, na rzekach o różnym charakterze oraz o zróżnicowanej poprawności krzywych przepływu. Na
rysunkach 9 i 10 pokazano przykład aktualnej krzywej przepływu w stacji wodowskazowej Dwernik na górnym Sanie i porównano ją z krzywą, jaką można by
wyznaczyć na podstawie opisanych metod.
Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono rozbieżności w interpretacji zależności stan
wody – przepływ w korycie rzeki górskiej, dla której nie ma bezpośrednich pomiarów przepływu. Niepewność budzi zmniejszenie nachylenia w podziałce logarytmicznej odcinka górnego krzywej aktualnej powyżej h = 215 cm i Q = 116 m3s-1.
Od tego stanu wody wzrasta różnica między krzywymi. Jest to strefa dużej dowolności wyznaczenia krzywej przepływu metodą graficzną. Wydaje się, że warunki
hydrauliczne koryta nie uzasadniają zmniejszenia nachylenia krzywej aktualnej,
ponieważ największy przepływ mieści się w jednodzielnym korycie głównym, skalistym i żwirowym. Bardziej uzasadniony jest wykres krzywej proponowanej, ekstrapolowanej według tendencji prostego odcinka w górnej części krzywej przepływu.
Duża zmiana nachylenia krzywej powoduje narastające różnice wartości przepływów wyznaczanych na podstawie krzywej aktualnej i krzywej proponowanej.
górnym Sanie i porównano ją z krzywą, jaką można by wyznaczyć na podstawie opisanych
metod.
Rys. 9.
9. Krzywe
natężenia
przepływu
w podziałcew
logarytmicznej,
Dwernik – San; kolor zielony
– krzywa
aktualna,
czerwony
– krzywa
Rys.
Krzywe
natężenia
przepływu
podziałceproponowana
logarytmicznej,
Dwernik
- San;
kolorkolor
zielony
– krzywa
aktualna, kolor czerwony – krzywa proponowana
Fig. 9. Rating curves in logarithmic scale for Dwernik post on the San River, green plot – current rating curve, red plot – suggested rating
Fig. 9. Rating curves in logarithmic scale for Dwernikcurve
post on the San River, green plot - current rating curve,
red plot - suggested rating curve
103
Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono rozbieżności w interpretacji zależności stan wody -
Rys. 10. Krzywe
natężenia
przepływu
w podziałce
arytmetycznej,
– San;
oznaczenia
na rys.9
Rys. 10.
Krzywe natężenia
przepływu
w podziałce
arytmetycznej, Dwernik
Dwernik – San
(oznaczenia
jak najak
rys.9)
Fig. 10.
Rating
in arithmetic
for Dwernik
post
theSan
San River
(notation
as on
Fig. 10. Rating
curves
incurves
arithmetic
scale scale
for Dwernik
post
ononthe
River,
(notation
asFig.
on 9)
Fig. 9)
104
Rzuchów
Stuposiany Wołosaty
Kalnica
Krosno
Tryńcza
Iskrzynia
Godowa
Gorliczyna
3
4
5
6
7
8
9
10
529,0
324
109,2
3 516
596
120
115
12 180
490
414
[km2]
361
362
80,2
589
330
102
198
2020
364
302
[m3s-1]
Pole
Natężenie
powierzchni przepływu
zlewni
A
Qa (hmax)
843
1160
630
867
650
448
301
899
395
324
[cm]
ha (Qa)
932
1209
594
873
698
403
296
899
342
288
[cm]
hp (Qp)
Stany wody
[m3s-1]
435
553
2020
215
196
263
577
106
263
223
36
53
0
5
45
-48
-6
36
-49
-89
Qp (hp)
Natężenie
przepływu
[cm]
Różnica
stanów
wody
Δh=ha – hp
138
99,0
-25,8
12,0
67,0
-94,0
-17,0
0
-185
-133
[m3s-1]
Róznica
przepływu
ΔQ=Qa-Qp
ha – stan wody według krzywej obowiązującej, hp –według krzywej proponowanej
Qa – natężenie przepływu według krzywej obowiązującej, Qp – natężenie przepływu według krzywej proponowanej
Mleczka
Stobnica
Morwawa
Wisłok
Wisłok
Wetlina
San
Zatwarnica San
2
San
Dwernik
Rzeka
1
L.p.
Stacja
wodowskazowa
38
27
-32
2
20
-92
-9
0
-52
-44
[%]
ΔQ
Table 2. Differences in stages and discharges received from current and suggested rating curves for selected gauging sites of the San River
basin
Tabela. 2. Różnice stanów wody i natężenia przepływu wyznaczone na podstawie aktualnych krzywych obowiązujących i proponowanych
w wybranych stacjach wodowskazowych dorzecza Sanu
105
106
Z rysunku 9 wynika również, że istnieje też rozbieżność w wartościach przepływów
minimalnych. Krzywa w tej strefie powinna być prowadzona do stanu zerowego
przepływu, który jest wartością fizyczną, związaną z badanym przekrojem, ograniczającą przebieg wykresu.
Rozbieżności między obecnie stosowanymi krzywymi przepływu i proponowanymi, wyznaczonymi na podstawie przedstawionych metod (tab. 2), wyrażają
różnice stanów wody Δh odpowiadające największym obserwowanym przepływom
Qmax oraz różnice wartości przepływów ΔQ odpowiadające najwyższym obserwowanym stanom wody hmax.
Brak pomiarów i duży zakres ekstrapolacji stwarza niepewność wyznaczenia
krzywej i wartości wielkich przepływów. Podobne wątpliwości jak w Dwerniku
mogą budzić krzywe przepływu górnego Sanu i jego górskich dopływów, dla których nie ma pomiarów i w najbliższym czasie nie ma realnych możliwości ich
wykonania. Przykładem są pokazane w tab. 2 stacje wodowskazowe: Zatwarnica
na Sanie, gdzie różnica przepływów wyznaczonych według krzywej aktualnej i proponowanej wynosi ΔQ = 52%, Iskrzynia na Morwawie – ΔQ = 32% czy Kalnica
na Wetlinie – ΔQ = 92%. Krzywe przepływu w tych stacjach wodowskazowych
charakteryzują się trudnym do uzasadnienia zmniejszeniem nachylenia górnych
odcinków.
Niepewność mogą również budzić krzywe przepływu o nadmiernie wzrastającym nachyleniu. Przykładem są stacje wodowskazowe Godowa na Stobnicy
(ΔQ = 27%) lub Gorliczyna na Mleczce (ΔQ = 38%).
Różnice wartości przepływów według krzywych aktualnych i proponowanych
obliczono w strefie obserwowanych przepływów maksymalnych. Różnice te jednak
będą znacznie większe w przypadku wartości przepływów o prawdopodobieństwie
przewyższenia p = 0,2% obliczonych na podstawie krzywych ekstrapolowanych.
Z przeprowadzonej weryfikacji krzywych przepływu wynika również, że na niektórych rzekach górskich wyznaczono prawidłowe krzywe przepływu oparte na bezpośrednich pomiarach. Dotyczy to większości stacji na Wisłoku, a przykładem jest
stacja Tryńcza. Podobnie dobre i stabilne krzywe przepływu wyznaczono w większości stacji wodowskazowych Sanu poniżej zespołu zbiorników retencyjnych Solina
– Myczkowce, w których nie stwierdzono niestacjonarności krzywych w strefie
wysokich stanów wody. Przykładem jest stacja wodowskazowa Rzuchów na Sanie.
Podsumowanie i wnioski
Opisana w artykule metoda wyznaczania krzywej natężenia przepływu oraz
metody jej ekstrapolacji umożliwiły weryfikację, ocenę i aktualizację krzywych
przepływu Wisły, Bugu i w dorzeczu Sanu. W wielu stacjach wodowskazowych
Wisły i Bugu stwierdzono niestacjonarność krzywych w strefie wysokich stanów
107
wody. Na Wiśle zidentyfikowano ich istotne zmiany w okresie 1951-2010. Na
podstawie opisanych metod i modelu hydrodynamicznego wyznaczono krzywe
okresowe. Wraz ze stopniowymi zmianami krzywych w czasie zaistniała konieczność poprawienia w wielu stacjach wodowskazowych wartości historycznych wielkich przepływów.
Zaproponowane metody wyznaczania krzywych przepływu są oprogramowane
i łatwe w stosowaniu. Umożliwiają wyznaczenie i ekstrapolację krzywej poprawnej pod względem hydraulicznym dzięki uwzględnianiu w programie czynników
kontrolujących krzywą. W trakcie wyznaczania krzywej śledzi się na bieżąco przedział niepewności wykresu lub jego dopasowanie do punktów pomiarowych. Program komputerowy stwarza możliwość nowoczesnego archiwizowania zależności
stan wody – przepływ i oceny jej ewolucji w czasie. Dokonane przy użyciu opisanych metod aktualizacje i zmiany krzywych przepływu zostały potwierdzone wynikami bezpośrednich pomiarów w czasie wezbrania w roku 2010. Metoda wyznaczania podstawowej krzywej przepływu została przyjęta jako komponent systemu
hydrologii operacyjnej HOMS (Szkutnicki i in., 2009) i jest zalecana przez Światową Organizację Meteorologiczną do powszechnego stosowania.
Służba hydrologiczna zaakceptowała wyznaczone krzywe przepływu na Wiśle
i Bugu i stosuje je w praktyce. Wyniki oceny krzywych przepływu w dorzeczu
Sanu przekazano służbie hydrologicznej w formie propozycji ich zmiany lub przynajmniej zasygnalizowania zauważonej niepewności odnośnie do aktualnie stosowanych krzywych przepływu.
Najważniejsze problemy wyznaczania wartości przepływów ekstremalnych
stanowią:
− niestacjonarność krzywych przepływu w strefie wysokich stanów wody
spowodowana zmniejszeniem zdolności przepustowej koryt rzecznych (do niedawna górne gałęzie krzywych przepływu traktowano jako względnie stabilne);
− brak wyników bezpośrednich pomiarów przepływu tam, gdzie w najbliższej przyszłości nie będzie możliwości wykonania pełnych pomiarów ze względu
na bezpieczeństwo ludzi; dotyczy to szczególnie rzek górskich i rzek z rozległymi terenami zalewowymi porośniętymi krzewami i wieloletnimi drzewami
(Stachý, 2012).
Przedstawione metody sprawdziły się w praktyce i mogą pomóc w rozwiązaniu
wielu problemów związanych z wyznaczaniem wartości zarówno wielkich przepływów, jak również przepływów w strefie najniższych stanów wody, ponieważ
w wyznaczaniu krzywej przepływu w tej strefie program KRZYWA 2 uwzględnia
tzw. stan zerowego przepływu, który jest wartością fizyczną ograniczającą przebieg
wykresu.
Przeprowadzone badania skłaniają do sformułowania następujących zaleceń:
− powszechne stosowanie opisanych w artykule metod wyznaczania i ekstrapolacji krzywej przepływu;
108
− równoczesne stosowanie kilku metod ekstrapolacji krzywej;
− wykonywanie pomiarów spadku zwierciadła wody, identyfikacji śladów wielkiej wody i pomiarów spadku według utrwalonych śladów kulminacji wezbrania;
− wyznaczanie i opis czynników kontrolujących krzywą natężenia przepływu
według opisanych wskazówek;
− w przypadku braku możliwości pomiaru przepływu uwzględniającego czynniki kontrolujące i ich zmianę oraz spadek zwierciadła wody wykonywanie pomiarów niepełnych z mostów, pomiarów prędkości powierzchniowej różnymi dostępnymi metodami, nawet pływakiem.
Materiały wpłynęły do redakcji 22 VII 2014.
Literatura
Byczkowski A., 1996, 1999, Hydrologia. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.
Chow Ven T.,1959, Open – channel hydraulics. Mc Graw – Hill Kogakusha, LTD., Tokyo.
Guide des pratiques hydrologiques,1994, OMM/WMO, 5e édition, Genève.
ISO 1100-2, 1998, Measurement of liquid flow in open channels, Part 2: Determination of stage-discharge
reletion. Geneva
Magnuszewski A., Gutry-Korycka M., Mikulski Z., 2012,, Historyczne i współczesne warunki przepływu
wód wielkich Wisły w Warszawie, Część 1, Część 2. Gospodarka Wodna, nr 1, nr 2, Warszawa.
Maidment R., 1992, Handbook of hydrology. Mc Graw- Hill, INC, New York.
Nachlik E., Kostecki S., Gądek W., Stochmal R., 2000, Strefy zagrożenia powodziowego. Biuro Koordynacji
Projektu Banku Światowego, Wrocław.
Ostrowski J., 1971, O dokładności krzywej przepływu, Prz. Geof. 16, 1-2.
Ozga-Zielińska M., Brzeziński J., 1994, 1997, Hydrologia stosowana, PWN, Warszawa
Ozga-Zieliński B., Szkutnicki J., Kadłubowski A., Chudy Ł., 2010, Wisła w Warszawie – wybrane problemy
hydrologiczne. Gospodarka Wodna, 12.
Ozga-Zieliński B., Szkutnicki J., Chudy Ł., 2013, Zmiany zależności stan wody – przepływ a strefy zagrożenia
powodziowego. [W]: T. Walczykiewicz (red.), Wybrane problemy sterowania i zarządzania zasobami
wodnymi na tle gospodarki wodnej, Monografie IMGW-PIB, Warszawa.
PN-EN ISO 772, 2001, Pomiary hydrometryczne. Terminologia. Polski Komitet Normalizacyjny.
Radczuk L., Szymkiewicz R., Jełowiecki J., Zyszkowska W., Brun J. F., 2001, Wyznaczanie stref zagrożenia
powodziowego. Biuro Koordynacji Projektu Banku Światowego, SAFEGE, Wrocław.
Sikorska A.E., Scheidegger A., Banasik K., Rieckermann J., 2013, Considering rating curve uncertainty in
water level predictions. Hydrology and Earth System Sciences, 17, 4415–4427.
Stachý J., 2012, Wpływ gajów wierzbowych na spiętrzenie wielkich wód w rzece. Gospodarka Wodna, 3.
Szkutnicki J., 2002, Wskazówki opisu koryt rzecznych do wyznaczania relacji stan wody – przepływ. Gazeta
Obs. IMGW, 1.
Szkutnicki J., Kadłubowski A., Chudy Ł., 2007, Metoda wyznaczania krzywej natężenia przepływu. IMGW,
Warszawa.
Szkutnicki J., Kadłubowski A., Chudy Ł., 2009, Method of Determination of the Rating Curve. Institute
of Meteorology and Water Management, Warsaw, WMO HOMS Component H76.3.07.
Szkutnicki J., Kadłubowski A., Chudy Ł., 2009a, Metody wyznaczania przepływu w warunkach zmiennego
spadku zwierciadła wody. IMGW, Warszawa.
109
Szkutnicki J., Kadłubowski A., Chudy Ł., 2010, Methods for Determination of Discharge In Variable Surface
Slope Conditions. Institute of Meteorology and Water Management, Warsaw.
Streszczenie
Mimo stałego rozwoju metod pomiarowych krzywa natężenia przepływu pozostaje wciąż podstawowym narzędziem wyznaczania wartości przepływów chwilowych. Jej poprawność zależy od
dobrze wykonanych jednoczesnych pomiarów przepływu i stanu wody. Chociaż w ostatnich latach
nastąpił duży postęp w możliwościach pomiarowych dostępnego sprzętu hydrometrycznego, w wielu
stacjach wodowskazowych nie ma danych pomiarowych w zakresie wielkich przepływów. Dotyczy to
szczególnie strefy wielkich przepływów w rzekach o rozległych terenach zalewowych i zmieniających
się warunkach hydraulicznych oraz w rzekach górskich, w których występują duże prędkości i rwący
ruch wody. Brak danych pomiarowych powoduje konieczność ekstrapolacji krzywej przepływu w jej
górnym przebiegu. W warunkach Polski ekstrapolacja krzywych przepływu w wielu przypadkach
przekracza znacznie normy ISO.
Obecnie wzrasta zapotrzebowanie na coraz dokładniejsze określanie charakterystyk przepływów,
szczególnie ekstremalnych. Podyktowane jest to rozwojem gospodarczym, intensyfikacją budownictwa
wodnego i lądowego, zagospodarowywaniem terenów zalewowych i osłony przeciwpowodziowej.
Przepływy maksymalne są podstawą do wyznaczania przepływów o określonym prawdopodobieństwie
przewyższenia, które z kolei wykorzystywane są do projektowania obiektów gospodarki wodnej.
Przepływy maksymalne i odpowiadające im stany wody są najważniejszymi charakterystykami do
wyznaczania stref zagrożenia powodziowego.
Artykuł poświęcony jest przede wszystkim weryfikacji wartości przepływów ekstremalnych na
Wiśle, Bugu i Sanie, ale jest on również podsumowaniem wieloletnich badań autorów, prowadzonych
w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowym Instytucie Badawczym. W artykule
wykazano zaistniałe zmiany zdolności przepustowej koryt rzecznych i ich możliwy wpływ na zakres
stref zagrożenia powodziowego. Zaproponowano również rozwiązania natury metodycznej dotyczące
wyznaczania krzywych natężenia przepływu.
S ł o w a k l u c z o w e: krzywa natężenia przepływu, ekstrapolacja, przepływ, przepływ ekstremalny,
stan wody, czynniki kontrolujące, przekrój poprzeczny, teren zalewowy
Summary
In spite of continues development of measurement methods, the rating curve is still fundamental tool for determining of instantaneous flows. Its reliability depends on well-done simultaneous
measurements of water stages and discharges. Although recently significant development of capabilities of available instruments is observed, there is no data of big flows in many gauging sites, in
particular for rivers with large floodplains and mountain rivers with rapid flow. Lack of data is the
cause of extrapolation of upper parts of rating curves. Currently there is a growing demand for welldeterminate characteristics of extreme flows. It is dictated by development of economy, intensification
of water and land structures building, floodplain-use and flood protection. The maximum flows are
basis of maximum flood with T-year return period estimation and in consequences the basis of water
management structures designing. The maximum flows and corresponding water stages are crucial
characteristics for flood protection zones determination.
110
In the paper there are methods and examples of rating curves construction and employment.
The paper represents long-standing research and experience of authors in construction of rating
curves and in estimation of design flows.
K e y w o r d s: Key words: rating curve, extrapolation, flow, extreme flow, water stage, control,
cross section, flood plain
Bogdan Ozga-Zieliński Jerzy Szkutnicki [email protected]
[email protected]
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – PIB, Warszawa
Łukasz Chudy
[email protected]

Tekst / Artykuł - [email protected] - Instytut Meteorologii i Gospodarki

Transkrypt

Podobne dokumenty

poster - Migacz - Uniwersytet Wrocławski