Przewodnik do ćwiczeń z hydrologii ogólnej - ebook

PRZEDMOWA

Autorzy wyrażają nadzieję, ze nowe wydanie Przewodnika do ćwiczeń z hydrologii ogólnej będzie przydatną publikacją zarówno dla studentów, jak i dla pracowników naukowo-dydaktycznych prowadzących ćwiczenia z hydrologii. Przewodnik jest dostosowany do nowego programu studiów i jest uzupełnieniem treści wykładów z hydrologii ogólnej dla II roku studiów geograficznych. Stanowi rozwinięcie Przewodnika do ćwiczeń z hydrografii^(), opracowanego przed 20 laty oraz Przewodnika z hydrologii ogólnej^(), wydanego w 1993 r. Oba przewodniki były przychylnie przyjęte przez uczelniane ośrodki geograficzne kraju i stały się powszechnie wykorzystywaną publikacją dydaktyczną.

Autorzy pragną, aby nowe wydanie Przewodnika było pomocą nie tylko dla studentów studiów geograficznych, wykonujących ćwiczenia z hydrologii ogólnej, ale i dla studentów specjalizujących się w hydrologii, w ochronie środowiska, w gospodarce przestrzennej, jak również dla personelu instytutów naukowo-badawczych, biur projektowych oraz innych instytucji zainteresowanych problematyką wodną.

Doświadczenia zdobyte w czasie korzystania z poprzednich wersji Przewodnika pozwoliły na udoskonalenie i wzbogacenie jego treści, dając możność rozwinięcia zakresu tej publikacji. Tematyka Przewodnika wykracza poza minimalny program dydaktyczny, obejmując także i te obliczenia, które mogą wystąpić w praktyce hydrologicznej.

W nowym wydaniu Przewodnika zachowano ten sam układ treści, co w jego poprzednich wersjach. Rozbudowano niektóre rozdziały i dodano nowy rozdział o bilansie wodnym jezior. Zwiększono o 20% zestaw ćwiczeń, zwłaszcza w zakresie wód podziemnych, termiki jezior, charakterystyk hydrologicznych wód płynących i oceny obiegu wody. Zaktualizowano także rozdział „Publikacje hydrologiczne".

Trzon Przewodnika stanowi 45 jednostek ćwiczeniowych, ujętych w siedmiu głównych rozdziałach. Pierwsza grupa ćwiczeń zaznajamia z charakterystykami obiektów hydrograficznych (zlewnia, sieć rzeczna, jeziora i wody podziemne) wyznaczonych na podstawie map topograficznych i planów. Następne ćwiczenia zapoznają z metodami obliczeń podstawowych charakterystyk hydrologicznych, tj. natężenia przepływu i rozkładu prędkości w korycie rzecznym, oceny wezbrań i niżówek oraz określania ustroju rzecznego. Ostatnia grupa ćwiczeń dotyczy prostych obliczeń bilansu wodnego zlewni i jeziora. Wykonanie każdego ćwiczenia szczegółowo objaśniono oraz zilustrowano niezbędnymi tabelami i rysunkami.

Ważną rolę w Przewodniku pełnią „Wskazówki techniczno-metodyczne”, w których na podstawie przykładów omówiono podstawowe pomiary na mapach, sposób korzystania z roczników hydrologicznych oraz podstawowe sposoby konstruowania wykresów. Doświadczenie wykazało bowiem, iż proste na pozór czynności stają się niekiedy utrudnieniem przy wykonywaniu ćwiczeń.

W zakończeniu Przewodnika podano syntetyczną informację o publikacjach hydrologicznych, które stanowią podstawowe źródło danych we wszelkich opracowaniach.

Autorzy zdają sobie sprawę z faktu, iż wiele opracowań hydrologicznych, których metody przedstawiono w Przewodniku, można wykonać w sposób nowocześniejszy przy użyciu standardowych programów typu arkusz kalkulacyjny (np. Microsoft Excel), czy systemów geomformacyjnych (GIS). Z punktu widzenia metodyki nauczania korzystne jest jednak wykonanie pewnych obliczeń i wykresów w sposób tradycyjny, zanim sięgnie się po pomocnicze narzędzie, jakim są programy komputerowe.

Wyrażamy nadzieję, iż nowe wydanie Przewodnika do ćwiczeń z hydrologii ogólnej spełni swą rolę i w dalszym ciągu będzie przydatną publikacją dydaktyczną, życzliwie przyjętą przez czytelników.

Autorzy

Warszawa, w grudniu 2001 r.1 Zlewnia (dorzecze)

DZIAŁY WODNE

Podstawową jednostką powierzchni terenu, będącą obiektem badań hydrologicznych, jest zlewnia. Zlewnia jest obszarem, z którego wody spływają do jednego wspólnego odbiornika, którym może być rzeka, jezioro lub bagno. W przypadku, gdy zlewnia obejmuje cały system rzeczny, tj. rzekę główną i jej dopływy, pojęcie zlewni jest równoznaczne z pojęciem dorzecza. Dorzecze jest to zatem obszar, z którego wody spływają do jednego systemu rzecznego. W zależności od drogi odpływu wody rozróżnia się zlewnię powierzchniową (topograficzną) i zlewnię podziemną.

Granicę zlewni (dorzecza) stanowi dział wodny. Rozdziela on kierunki odpływu wód do dwóch różnych systemów rzecznych. Wyznaczenie działu wodnego jest więc jednym z ważniejszych zadań hydrologii. Rozróżnia się dział wodny powierzchniowy (topograficzny) i dział wodny podziemny. Powierzchniowy dział wodny jest wyznaczony przez ukształtowanie terenu, jego lima biegnie po grzbietach wzniesień i stanowi granicę zlewni topograficznej. Podstawą do jego wyznaczenia jest mapa topograficzna. Podziemny dział wodny stanowi granicę zlewni podziemnej i jest wyznaczany na podstawie ukształtowania (rzeźby) zwierciadła wód podziemnych. Podstawą do jego wyznaczenia jest mapa hydroizohips.

Działy wodne mogą być wyraźne, wyznaczone w sposób jednoznaczny przez przebieg naturalnych wyniosłości terenu, lub niepewne, z reguły na terenach płaskich, gdzie ich położenie jest trudne do ustalenia.

ĆWICZENIE 1

Wyznacz powierzchniowy dział wodny zlewni na obszarze o wyraźnej rzeźbie erozyjnej.

Podstawą do wyznaczenia granic zlewni (dorzecza), czyli działu wodnego, są mapy topograficzne, na przykład w skali 1: 25 000 lub 1:100 000. W przypadku wyznaczania granic dorzecza rysowanie działu wodnego rozpoczynamy od ujścia rzeki do morza lub innej rzeki, natomiast w przypadku granic zlewni — od dowolnego profilu rzecznego. Od wyznaczonego profilu prowadzimy najkrótszą limę do najbliższej poziomicy i stąd wzdłuż zbocza, prostopadle do poziomic aż do wyraźnej linii grzbietowej. Następnie dział wodny prowadzimy linią grzbietową (rys. 1), przecinając wierzchołki wzgórz (w) i przełęcze (p), zawsze prostopadle do poziomic i po ich wypukłościach. Postępujemy tak dotąd, aż ograniczymy limą działu wodnego cały obszar, z którego wody spływają do rzeki, do wyznaczonego na mej profilu.

Wyznaczając dział wodny, należy stale zadawać sobie pytanie: dokąd, zgodnie ze spadkiem terenu, popłynie woda opadowa, która spadła w danym miejscu. Należy bowiem pamiętać, ze dział wodny rozgranicza miejsca o spadkach skierowanych ku danej rzece od miejsc o spadkach skierowanych ku innym rzekom i nie powinien przecinać drogi strugom wody spływającym po stoku.

Rys. 1. Dział wodny
p – przełęcze, w – wierzchołki

Dział wodny przebiega przeważnie po najwyższych wyniesieniach terenu. Zdarza się jednak, że najwyższe wzgórze może nie znajdować się na głównym dziale wodnym, ale obok niego (rys. 1 — wzgórze z kulminacją 210 m n.p.m.). Wówczas leży ono zwykle na dziale wodnym zlewni cząstkowej danej rzeki lub rzeki sąsiedniej.

Jeśli dno doliny jest szerokie, płaskie, a zwłaszcza zabagnione, wówczas odcinek działu wodnego, który je przecina, rysujemy jako dział niepewny (rys. 2).

Powszechnym błędem przy wyznaczaniu powierzchniowego działu wodnego jest skośne przecinanie poziomic na zboczu (rys. 3). Linię działu wodnego należy zawsze prowadzić prostopadle do poziomic, tak aby nie przecinać drogi wodzie spływającej zgodnie ze spadkiem terenu. Kierunek działu wodnego zmieniamy dopiero na grzbiecie (rys. 3A). Innym, dość powszechnym błędem jest „obcinanie" suchych dolin (rys. 3B). Aby tego uniknąć, dobrze jest przed przystąpieniem do wyznaczania działu wodnego narysować wszystkie dopływy, suche doliny i linie spływu tworzące system danej rzeki. W przypadku natrafienia na suchą dolinę trzeba cofnąć się aż do najbliższego wzgórza i mną limą grzbietową, która otoczy zlewnię tej doliny, poprowadzić dział wodny. Ograniczony w myśl powyższych zasad działem wodnym obszar stanowi zlewnię (dorzecze) danej rzeki.

Rys. 2. Fragment działu wodnego w dolinie rzecznej n — dział niepewny

Rys. 3. Przykłady wyznaczania działów wodnych na grzbiecie (A) i w suchej dolinie (B)
1 — sposób prawidłowy, 2 — sposób błędny, 3 — dział niepewny, 4 — linia spływu

ĆWICZENIE 2

Wykonaj podział hydrograficzny dorzecza na obszarze o wyraźnej rzeźbie erozyjnej.

Podziałem dorzecza nazywa się wyznaczenie zlewni składających się na jego obszar, czyli wyznaczanie zlewni cząstkowych (elementarnych) i przyrzeczy.

Jeśli podział dotyczy dorzeczy głównych rzek, mówi się o podziale hydrograficznym kraju. W podziale tym obowiązuje zasada, że wszystkie rzeki wpadające bezpośrednio do morza (oceanu) są nazywane rzekami I rzędu, dopływy tych rzek odpowiednio dopływami II rzędu, kolejne dopływy noszą nazwę rzek III rzędu ltd. Analogicznie dorzecza rzek I rzędu zwą się dorzeczami I rzędu, dorzecza rzek II rzędu to dorzecza II rzędu ltd. Ta sama klasyfikacja dotyczy działów wodnych: dział wodny I rzędu wyznacza granice dorzecza I rzędu, dział wodny II rzędu wyznacza granice dorzecza II rzędu ltd.

W podziale hydrograficznym mniejszych zlewni na ogół stosuje się odwrotną hierarchię dopływów i zlewni elementarnych (patrz ćwiczenie 9).

Ćwiczenie polega na wykonaniu na mapie topograficznej podziału hydrograficznego wybranego dorzecza. W pierwszej kolejności należy odpowiednio dobraną sygnaturą, która różnicuje rzędy cieków, opisać wybrany system rzeczny, a więc narysować rzekę główną (ciek I rzędu), dopływy tej rzeki (cieki II rzędu), dopływy tych dopływów (cieki III rzędu) ltd. Jeśli główny ciek powstaje z połączenia kilku strumieni, to za jego źródłowy odcinek przyjmuje się ten strumień, który prowadzi w ciągu roku najwięcej wody (ma na ogół największą zlewnię). Jeśli takiej informacji nie mamy, to należy za rzekę główną przyjąć ten ciek, który jest najdłuższy w dorzeczu, lub którego źródła leżą najwyżej n.p.m.

Następnie na mapie topograficznej należy wyznaczyć, według zasad podanych w ćwiczeniu 1, granice dorzecza wybranego systemu rzecznego i w analogiczny sposób działy wodne dorzeczy niższego rzędu, tj. wszystkich bezpośrednich dopływów danej rzeki, zaczynając od ich ujść do rzeki głównej. Działy te dochodzą do działu wodnego ograniczającego dorzecze rzeki głównej, wyznaczając zlewnie cząstkowe bezpośrednich dopływów tej rzeki (rys. 4). Podobnie postępujemy przy wyznaczaniu zlewni cząstkowych dopływów niższego rzędu. Działy wodne, w zależności od ich rzędów, rysujemy tą sygnaturą, którą przyjęliśmy do zróżnicowania rzędu cieków.

ĆWICZENIE 3

Wyznacz powierzchniowy dział wodny, z uwzględnieniem obszarów bezodpływowych i bifurkujących.

Rys. 4. Podział zlewni na zlewnie cząstkowe i przyrzecza

Na obszarach młodoglacjalnych, wydmowych, krasowych czy zabagnionych ustalanie przebiegu działów wodnych, wyznaczających zlewnie cieków, jest utrudnione. Komplikują je bowiem bifurkacje i zagłębienia bezodpływowe.

Bifurkacje są to takie miejsca, z których odpływ powierzchniowy jest skierowany do różnych dorzeczy. Wyróżniamy dwa rodzaje bifurkacji:

• bifurkację punktową cieku, która występuje w przypadku, gdy ciek dzieli się na dwa ramiona, które odprowadzają wodę do różnych dorzeczy. Jeśli mamy do czynienia z taką sytuacją hydrograficzną, to rysując dział wodny, należy jego linię w pobliżu bifurkacji punktowej przerwać i zakończyć symbolem bramy wodnej (rys. 5A). Podobna sytuacja bifurkacji punktowej występuje przy wypływie ze źródła do różnych dorzeczy; bramę wodną rysujemy wówczas na obszarze źródliskowym (rys. 5B).

Rys. 5. Bifurkacja punktowa rzeki
A — ciek dzieli się na dwa ramiona prowadzące wodę do dwu rzek, B — odpływ ze źródła do dwóch rzek

Zbliżona sytuacja występuje również wówczas, gdy na mapie widać jeden ciek płynący w przeciwnych kierunkach, ale z rysunku poziomic wynika, że przecina on topograficzny dział wodny (rys. 6)- Mamy wówczas do czynienia z pseudobifurkacją. W takim przypadku dział wodny rysujemy na przełęczy między poziomicami bez zaznaczania symbolu bramy wodnej na cieku;

Rys. 6. Pseudobifurkacja

• bifurkację powierzchniową (obszarową, przestrzenną), gdy istnieje odpływ powierzchniowy do dwóch dorzeczy z jednego jeziora lub bagna. W takim przypadku należy wyznaczyć dział wodny zlewni danego obiektu hydrograficznego, postępując w taki sposób, jak to omówiono w przypadku zlewni zagłębienia bezodpływowego, a na przecięciu działu wodnego z ciekami odprowadzającymi wodę z tego obiektu należy narysować symbole bramy wodnej (rys. 7). W przypadku stwierdzenia bifurkacji powierzchniowej, granice zlewni bifurkującego obiektu hydrograficznego rysujemy linią przerywaną z półkolami skierowanymi do wewnątrz.

Rys. 7. Bifurkacja powierzchniowa
A — bagna, B — jeziora

Zagłębienia bezodpływowe są to niewielkie wklęsłe formy terenu oznaczone na mapie topograficznej zamkniętą poziomicą. Zbierają one wodę w postaci oczek lub mokradeł albo ją chłoną, przekazując wodom gruntowym. Zagłębienia te są wyłączone z odpływu powierzchniowego, a w ich zlewniach zachodzi zwykle proces parowania i wsiąkania. Parowanie odgrywa główną rolę w tych zagłębieniach, które występują na obszarach słabo lub trudno przepuszczalnych. W ich dnie na ogół występuje oczko lub mokradło i są one nazywane zagłębieniami bezodpływowymi retencyjno-ewaporacyjnymi (rys. 8A). Wsiąkanie wody opadowej dominuje w zagłębieniach o podłożu przepuszczalnym, dlatego są one nazywane zagłębieniami bezodpływowymi chłonnymi (rys. 8B).

Rys. 8. Zagłębienia bezodpływowe
A — retencyjno-ewaporacyjne, B — chłonne

Chcąc prawidłowo wyznaczyć dział wodny zlewni zagłębienia bezodpływowego, trzeba stwierdzić, jakie jest jego położenie topograficzne. Mogą one bowiem występować w różnych sytuacjach topograficznych: na zboczu, pod zboczem, w dolinie i na wierzchołku.

W przypadku występowania zagłębienia bezodpływowego na zboczu lub pod zboczem, należy znaleźć próg tego zagłębienia, czyli najniższe miejsce oddzielające to zagłębienie od innych zlewni. Próg zagłębienia jest położony między poziomicami o tej samej wartości co poziomica zamykająca zagłębienie (130 m n.p.m., rys. 9). Dział wodny prowadzimy wzdłuż progu, następnie prostopadle do poziomicy wyznaczającej próg i dalej wyraźną linią

Rys. 9. Wyznaczanie działu wodnego zagłębienia bezodpływowego w położeniu zboczowym
A — plan, B — przekrój, p — próg zagłębienia

grzbietową, tak aby wyodrębnić obszar nachylony ku temu zagłębieniu. Tak narysowany dział wodny oznaczamy odpowiednią sygnaturą, tj. kreskami skierowanymi do wewnątrz (rys. 9A). Podobnie postępujemy w przypadku, gdy zagłębienie bezodpływowe występuje w położeniu dolinnym. Znajdujemy więc próg takiego zagłębienia, prowadzimy dział wodny wzdłuż tego progu, następnie prostopadle do poziomic zboczem doliny aż do grzbietu i dalej wzdłuż grzbietu, tak aby otoczyć działem wodnym zlewnię górnej części doliny przegłębionej zagłębieniem bezodpływowym (rys. 10).

Rys. 10. Wyznaczanie działu wodnego zagłębienia bezodpływowego w położeniu dolinnym

W położeniu wierzchołkowym lub równinnym zagłębienia bezodpływowego dział wodny otacza je, przebiegając na jednakowej rzędnej terenu. Należy więc poprowadzić linię działu wodnego w przybliżeniu w połowie odległości między poziomicami o tej samej wartości (rys. 11). Zlewnie zagłębień tego typu mają zwykle niewielkie powierzchnie.

Zagłębienia bezodpływowe w niektórych typach krajobrazu są bardzo liczne i zajmują znaczne powierzchnie. Zlewnie ich na ogół stykają się ze sobą, tworząc obszar bezodpływowy (zlewnię bezodpływową) (rys. 12). Granice tego obszaru wyznacza zewnętrzna obwiednia poprowadzona przez działy wodne oddzielające obszar bezodpływowy od obszaru z odpływem. Przy wyznaczaniu działu wodnego obszaru bezodpływowego nie rysujemy zatem działów wodnych wszystkich zagłębień bezodpływowych, lecz znajdujemy zagłębienia graniczące z obszarem odpływowym o rzeźbie erozyjnej i na tej granicy prowadzimy linię działu wodnego.

Na terenach nizinnych zagłębienia bezodpływowe występują z reguły w pobliżu głównych działów wodnych zlewni. Toteż

Rys. 11. Wyznaczanie działu wodnego zagłębienia bezodpływowego w położeniu wierzchołkowym lub równinnym A — plan, B — przekrój

Rys. 12. Dział wodny obszaru bezodpływowego A — plan, B — przekrój dział wodny zlewni bezodpływowej stanowi rozdwojenie zwykłego działu wodnego, otaczając obszar, na którym może występować jedynie odpływ podziemny (rys. 12). Na podstawie ukształtowania terenu należy określić spodziewany kierunek odpływu podziemnego (rys. 12A).