Hidrológiai körfolyamat elemeinek számítása 1.

Átírás

1 HIDROLÓGIA Hidrológiai körfolyamat elemeinek számítása 1. SZIE Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar Talajtani és Agrokémiai Tanszék, Vízgazdálkodási és Meteorológiai Csoport 2012/2013. tanév 1. félév Gödöllő,

2 Csapadék Csapadék: a légköri víz bármilyen formában(eső, hó, jég, harmat, köd, zúzmara, dér) való kicsapódása és földre hullása. Csapadékmennyiség:adott területre meghatározott időszak alatt lehullott csapadék össztérfogata. valamely t időtartam során a vízszintes sík 1 m 2 -re a csapadékhullásból hány liter vízmennyiség jutott. Csapadékösszeg:egy csapadékhullás ideje alatt, vagy meghatározott idő folyamán lehullott csapadékmagasság. (SI mértékegysége a milliméter; jele: mm)

3 Csapadék Csapadék(eső) intenzitás: az időegység alatt lehullott csapadékösszeg. A csapadékintenzitás értékét az: i = dh dt A csapadékintenzitást mm/h mértékegységgel fejezzük ki.

4 Csapadék Csapadékintenzitás: Előnye: magában foglalja a csapadékösszeget és a csapadékhullás idejét. Hátránya: az intenzitás mértéke a választott időegységtől függ. Számítása: 1 óránál rövidebb időszak alatt pl. 5 percnyi idő során lehullott csapadék intenzitásának számítása: t = 5 perc = 1/12 h alatt hullott csapadékot 12-vel meg kell szorozni, hogy a csapadékintenzitást mm/hban kapjuk.

5 A fontosabb hidrológiai paraméterek dimenziója, mértékegységei és átváltásuk 5 km = cm (tíz hatványaival) 8 m 2 = ha (tíz hatványaival) 1 ha = m 2, vagy 10 4 m 2 9 l/s ha = 3.24 mm/h 2 mm/h = l/s km 2 Egyszerű számpéldák: 1. Egy 86 ha-os tározóból 9 mm víz párolog el 24 óra alatt. A) Mennyi a párolgás intenzitása? mm/h B) Hány m 3 víz párolgott el? 7740 m 3 2. Egy tó 100 km 2 vízfelületére 23 mm csapadék hull egy nap alatt. A hozzáfolyás 8 m 3 /s, az elszivárgás egy nap alatt 78500m 3, a tóból a levezetett vízhozam egy nap alatt 5.6 m 3 /s. Hány cm-t változik a tóvízállás: 2.4 cm (a párolgás elhanyagolható)

6 Csapadékmennyiség és lefolyás számítására 1 mm csapadék 1 m 2 felületen: 10-3 m 1 m 2 = 10-3 m 3 = 1l 1 mm csapadék 1 km 2 felületen: 10-3 m 10 6 m 2 = 10 3 m mm csapadék 1 km 2 felületen: 10-1 m 10 6 m 2 = 10 5 m mm csapadék 10 km 2 felületen: 10-1 m 10 7 m 2 = 10 6 m 3 Ha a lefolyási tényező α = 0.5, akkor : m 3 folyik le. Ha ez 24 óra alatt folyik le, akkor az átlaghozam: m s 5.79 m 3 s

7 A fontosabb hidrológiai paraméterek dimenziója, mértékegységei és átváltásuk h mm h mm s mm s mm s m m s m m s l ha s l = = = = = = = = km s l km s l km h l km h m m h m h m h mm = = = = = = =.

8 Csapadék mérése Az állomáshálózat sűrűségét meghatározó tényezők: meteorológiai, geográfiai, népsűrűség, gazdasági lehetőségek, műszaki követelmények.

9 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával A pontbeli értékek területi eloszlásának meghatározása történhet : számtani középértékkel; poligon módszerrel (háromszög, sokszög); izovonalas módszerrel (planiméter, raszter). A legalkalmasabb módszer kiválasztásában két tényező játszik jelentős szerepet: a mérőállomások sűrűsége, a mérések időköze.

10 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával A számtani középérték módszer: A vízgyűjtőterületen lejátszódó hidrológiai folyamatok (csapadék, párolgás, beszivárgás) átlagértékének becslésére a legegyszerűbb eljárás. Ez a módszer eredményesen akkor alkalmazható ha a vízgyűjtő területen aránylag sok, területileg egyenletesen eloszló mérőállomás van.

11 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Számtani középérték módszer számítása: C á n i = = 1 n C i

12 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Táblázat a számtani középérték módszer számításához:

13 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával A háromszög módszer A vízgyűjtő területén levő mérőállomásokat egymással összekötve a területet háromszögekre bontjuk. Háromszög csúcspontjaiban mért értékek számtani középértékét képezzük. Előnye a számtani középérték módszerével szemben, hogy területi súlyozást alkalmaz. Hátránya, hogy ha csak a vízgyűjtőn levő állomásokat kötjük össze, akkor a vízgyűjtőterület egyes részei nem esnek egyik háromszögbe sem.

14 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával

15 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával A háromszög módszer számítása: C h = n i =1 C i n A i ahol C j = C + C j, 1 j, 2 j, C

16 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával A sokszög módszer Ha a mérőállomások a területen nem egyenletesen oszlanak el, a sokszög módszer alkalmazása előnyösebb. Az egyes állomásokat összekötő egyenesek felező merőlegeseivel a területet (vízgyűjtőterületet) sokszögek halmazára bontjuk. A terület (vízgyűjtőterület) átlagos jellemző értékét úgy kapjuk, hogy az egyes állomásokon észlelt értékek és a hozzájuk tartozó sokszög területek szorzatainak összegét elosztjuk a vizsgált terület nagyságával.

17 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Előnye: csak a vizsgált területre eső részeket veszi figyelembe, továbbá a területen kívüli, de megfelelő közel levő állomások hatása csak azzal a területtel szerepel, amely rész a vizsgált területre esik. Hátránya: egyetlen állomás kiesése esetén a sokszögeket újra kell szerkeszteni és az új hálózatra vonatkozó területi átlag a régivel nem hasonlítható össze.

18 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával

19 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával A sokszög módszer számítása: C p n C i = 1 = n i = 1 i A A p, i p, i

20 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával

21 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Táblázat a sokszög módszer számításához:

22 Területek meghatározásának lehetséges módjai Sávmódszer Az alakzatot egy egymástól d távolságra lévő párhuzamosokból álló fedvénnyel borítjuk. két szomszédos párhuzamos egyenes közötti részt grafikusan átalakítjuk téglalappá. Amennyiben a közelítő vonalak merőlegesek a párhuzamosokra az elemi alakzatok téglalapok lesznek. T = d l i

23 Területek meghatározásának lehetséges módjai Alkalmazva a Kapos vízgyűjtőterületére.

24 Területek meghatározásának lehetséges módjai Négyzetháló módszer A mérendő alakzatra négyzethálót illesztünk. Összeszámoljuk hány elemi négyzet esik az idom belsejébe. Ahol az alakzat határvonala metszi a hálót, ott becsülni kell! Az elemi négyzet területének tört részével kell számolnunk.

25 Területek meghatározásának lehetséges módjai Négyzetháló módszer

26 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Az izovonalas (izohiéta) módszer: A vizsgált területre megszerkesztjük az azonos értékű pontokat összekötő izovonalakat. A területi átlagos értékeket az egyes izovonalakhoz tartozó területek nagyságával szorozzuk és a kapott összeget osztjuk a vizsgált terület (vízgyűjtő) teljes területével. A területek nagyságát általában planiméterrel vagy milliméter-hálózattal (raszter módszer) határozzuk meg.

27 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Előnye: leginkább képes a területi változékonyságához alkalmazkodni. alkalmas térképes ábrázolására. Hátránya: a szerkesztés, a számítás igen munkaigényes

28 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával

29 Csapadék jellemzése a mért értékek átlagával Izovonalas módszer (izohiéta vonalak): C iz k l= 1 = k C l= 1 l A A l l

30 A párolgás A párolgás fizikai folyamat, amikor a víztér cseppfolyós halmazállapotú részecskéi kilépnek a folyadéktérből és gáznemű állapotban belépnek a folyadékteret környező légtérbe. A légtér - a párafelvevő rendszer - által maximálisan felvehető páramennyiség a potenciális párolgás. A tényleges párolgás mértéke soha sem nagyobb, mint a potenciális párolgásé.

31 A párolgás formái A párolgás formái: evaporáció: a szabad vízfelszín, a hó, a jég és a fedetlen talaj párolgása transzspiráció: a növények párologtatása evapotranszspiráció: a növényzet és a talaj együttes párolgása

32 A párolgás mérése Tavak, tározók vagy egyéb vízfelületek párolgási vízveszteségének számítása egyes műszaki hidrológiai feladatoknál elmaradhatatlan. Módszer: Párolgásszámítás Meyer eljárással.

33 A párolgás mérése A Meyer-féle eljárás A Meyer-féle eljárás a tényleges havi párolgás meghatározására alkalmas. P [ E t') e] ( + b w) = a 1 ( (mm/hónap) P = a havi párolgás összege (mm/hó) E = a vízhőmérséklettől függő közvetlenül a vízfelszín felett lévő légréteg telítési páratartalma (g/m 3 ),melyet a t' [ C] havi közepes vízhőmérséklet alapján határoznak meg e = tényleges páratartalom (g/m 3 ) (adott hőmérsékleten mennyi a levegő páratartalma) w = havi közepes szélsebesség (m/s) a,b = állandók (értéke éghajlati és földrajzi körülményeink között 11 és 0,2)

34 Feladat Az elpárolgott vízmennyiség értékeit a következőképpen számíthatjuk: V P [10 3 m 3 ] = P [mm]a[km 2 ] (10 3 m 3 ) Feladat 1. Meghatározandók egy Székesfehérvár mellett létesített tározó1966. évi tényleges havi párolgásösszegei (három hónap), valamint a negyedéves párolgásösszeg. A tározó felszíne: A = 4,8 km 2

35 Feladat

36 Feladat A vízfelszín havi közepes hőmérsékletei alapján meghatározhatók a hozzátartozó telítettségi nedvességtartalom E(t') [g/m 3 ] értékei is.

37 Evapotranspiráció A talaj és növény rendszert jellemző evapotranszspirációnak két lehetséges értéke van: - potenciális evapotranszspiráció és - tényleges evapotranszspiráció Potenciális evapotranszspiráció: Amikor a víz hiánya nem korlátozza a növény transpirációját és a talaj evaporációját (Pl.: nagyobb esők után). Tényleges evapotranszspiráció: A csapadék évi, vagy tenyészidőszaki mennyisége meghatározza az elpárologtatható víz mennyiségét. A tényleges evapotranspiráció a növényállomány korlátozott vízfogyasztása.

38 Evapotranspiráció Antal-módszer: Potenciális evapotranspiráció: 0, 7 4, 8 PET = 0, 74 ( E e ) (1 + α T ) mm / ahol E a telítési páranyomás, e a napi átlagos páranyomás, α a levegő hőkitágulási együtthatója, T a napi középhőmérséklet. Tényleges evapotranspiráció: nap ahol ET p a potenciális evapotranspiráció; b az ún. biológiai konstans; w a relatív talajnedvesség. ahol W a talaj tényleges víztartalma; W hv a holtvíztartalom; W dv a hasznosítható víztartalom (diszponibilis). Feladat 2. Egy terület potenciális és tényleges evapotranspirációjának számítása.

39 Irodalom Szász Gábor Tőkei László: Meteorológia Vermes László: Vízgazdálkodás Petrasovits Imre: Az agrohidrológia főbb kérdései

40 Feladat Beadandó feladat részei 1) A csapadékszámítási módszerek rövid leírása, táblázatok 2) A Meyer-féle eljárás rövid ismertetése, számolás rövid leírása + táblázat + grafikon 3) Antal-módszer rövid ismertetése + táblázat

41 A feladatok beadásának előírásai A feladatokat címlappal ellátva kell beadni! A számítási részeket kézzel vagy számítógéppel (word, excel) kell elkészíteni!

42 A feladatok beadásának előírásai

43 HIDRAULIKA Csatornaszakaszok méretezése

44 Csatornaszakaszok hidraulikai méretezése Mederméretezés A minimális mederszelvény méretek: Vízszint alatt 60 cm mélység, 1 m fenékszélesség (b), 1,5 m rézsűhajlás (ρ), Megengedett legkisebb mélység változás: mellékcsatornáknál 20 cm, főcsatornánál 30 cm. Meder földmeder, átlagosnál elhanyagoltabb állapotban a simasága 35 m 1/3 /s (k) [Érdesség n = 0,028, k=1/n]

45 Csatornaszakaszok hidraulikai méretezése Mederméretezés A méretezés hidraulikai alapja a permanens egyenletes állapot leírására alkalmas Chèzy-féle összefüggés. A kiépítési vízhozamok szakaszosan azonos mederméretekből következő lépcsős ábrájával a mértékadó vízhozamok (q 10% ) ábráját felülről burkolni kell! A mederváltozások helyét: Grafikus kimetszéssel vagy Interpolálással lehet meghatározni.

46 Csatornaszakaszok hidraulikai méretezése Chèzy-képlet (1775) v = C R I C Chèzy-féle sebességi együttható R hidraulikus sugár m s I fenékvonal relatív esése = vízfelszín relatív esése = energiavonal relatív esése h I = ' l

47 Csatornaszakaszok hidraulikai méretezése C-re nagyon sok összefüggés. Pl. Manning-Stricker a legelterjedtebb. C = k 1/ R 6 Q = f(h, b, ρ, k, I) Explicit módon kifejezhető: Q, k, I Fokozatos közelítéssel, iterációval: h, b, ρ

48 Csatornaszakaszok hidraulikai méretezése

49 Csatornaszakaszok hidraulikai méretezése A trapézszelvény paraméterei és számításuk: Vízmélység h Nem azonos a medermélységgel! Fenékszélesség b Szelvényterület Nedvesített kerület Hidraulikus sugár Sebességi tényező K A = ( b + ρ h) h = b + 2h 1 + ρ R = C = A K 1 R n Középsebesség v = C R I Vízhozam Q = v A