SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU GEOTEHNIĈKI FAKULTET IVAN PLOH ANALIZA HIDROGRAMA ZAVRŠNI RAD

Transcript

1 SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU GEOTEHNIĈKI FAKULTET IVAN PLOH ANALIZA HIDROGRAMA ZAVRŠNI RAD VARAŢDIN, 2012.

2 SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU GEOTEHNIĈKI FAKULTET ZAVRŠNI RAD ANALIZA HIDROGRAMA KANDIDAT: IVAN PLOH MENTOR: Prof.dr.sc. VLADIMIR PATRĈEVIĆ VARAŢDIN, 2012.

3 Sadržaj 1. UVOD ANALIZA HIDROGRAMA SA TEORIJSKIM PRISTUPOM PROCESU OTJECANJA Otjecanje kao dio hidrološkog ciklusa Transformacija oborine u otjecanje Analiza hidrograma otjecanja Efektivne oborine i hidrogram direktnog otjecanja PARAMETRI OTJECANJA Klimatske znaĉajke Fiziĉke znaĉajke sliva Geološke znaĉajke Biološke znaĉajke Utjecaj ljudskog rada OSNOVE MONITORINGA KOJE DEFINIRAJU OTJECANJE Mjerenje vodostaja Mjerenje dubine Mjerenje brzine vode Mjerenje brzine okretanja potopljene elise Mjerenje protoka MOGUĆE METODE DEFINIRANJA HIDROGRAMA Racionalna metoda Metoda jediniĉnog hidrograma Metoda izokrona ZAKLJUĈAK LITERATURA... 31

4 1. UVOD Hidrologija je znanost koja se bavi analizama i studijama brojnih utjecaja vode u vezi s njezinim gibanjem i djelovanjem na ţivu i mrtvu prirodu. U inţenjerskoj praksi najĉešće se izuĉava dio hidrološkog ciklusa koji se odnosi na otjecanje vode u prirodnim i umjetnim uvjetima. Svrha analize otjecanja je da se na temelju palih oborina na sliv odredi hidrogram otjecanja. Izrada hidrograma otjecanja je kompleksan posao te je potrebno poznavati i odrediti parametre koji utjeĉu na veliĉinu otjecanja. Otjecanje sa sliva u velikoj mjeri ovisi o fiziĉkim znaĉajkama sliva, meċutim na dinamiku otjecanja utjeĉe i reţim oborine te meċudjelovanje ostalih znaĉajki: geoloških, bioloških i antropogenih. Da bi mogli kvantificirati otjecanje moramo se posluţiti hidrometrijom. To je znanost o mjerenju i analizi vode pomoću koje moţemo mjeriti vodostaj, dubinu vode, brzinu vode i protoku. Dobivanjem podataka o spomenutim hidrološkim parametarima te ostalim parametrima koji utjeĉu na veliĉinu otjecanja moţemo krenuti u izradu hidrograma. Cilj završnog rada je prikazati ulazne parametre u hidrološki model otjecanja, te njihov utjecaj na realne hidrograme dobivenih pomoću metoda koje će biti opisane u nastavku. 1

5 2. ANALIZA HIDROGRAMA SA TEORIJSKIM PRISTUPOM PROCESU OTJECANJA 2.1. Otjecanje kao dio hidrološkog ciklusa Hidrološki ciklus je proces obnavljanja i kruţenja vode na Zemlji. Isparavanjem vode iz oceana, mora, jezera, rijeka i iz biljaka voda se kondenzira u oblacima te u obliku padalina vraća se ponovo na tlo i vodne površine. U oceanima, morima, jezerima i na kopnu voda se potom akumulira, te opet isparava. Na slici 1 slikovito je prikazan hidrološki ciklus sa komponentama. Slika 1: Glavne komponente hidrološkog ciklusa Dio hidrološkog ciklusa je otjecanje koje predstavlja dio oborine koja površinskim ili podzemnim putem otjeĉe u vodotoke i dalje prema moru. Uz otjecanje (površinsko i podzemno), glavne komponente hidrološkog ciklusa su oborine i isparavanje. Ciklus otjecanja opisuje dinamiku procesa preraspodjele vode na kopnu, od trenutka kada je kiša pala na tlo do trenutka kada je voda dospjela do konaĉnog recipijenta (oceana, mora, jezera) ili se vratila u atmosferu putem evapotranspiracije. 2

6 Razlika izmeċu ukupne ili brutto oborine pale na sliv i oborine koja otjeĉe (efektivna ili neto oborina), predstavlja sa stajališta otjecanja gubitke, odnosno deficit otjecanja jer ne doprinosi otjecanju. Kvantitativni opis ciklusa otjecanja i njegovih komponenti daje se jednadţbom vodne bilance koja se dobiva primjenom zakona o oĉuvanju mase. Pri tome se mora utvrditi granica prostora za koji se radi vodna bilanca, a sve komponente ciklusa otjecanja moraju biti promatrane istodimenzionalno (m 3, mm, m 3 /s). Za odreċeni prostor u odreċenom vremenskom razdoblju razlika dotoka vode i otjecanja kroz granicu koja ograniĉava taj prostor mora biti jednaka promjeni koliĉine vode u tom prostoru. Ovaj izraz glasi: gdje je: V(t) volumen akumulirane vode u promatranom sustavu Q u (t) dotok vode u promatrani sustav Q i (t) otjecanje vode iz promatranog sustava Obzirom da se u hidrološkoj praksi varijable promatraju u odreċenim toĉkama vremena, gornja jednadţba se moţe pisati u sljedećem obliku: gdje je: V(t) volumen vode u promatranom sustavu u trenutku t V(t+Δt) volumen vode u promatranom sustavu u trenutku t+δt 3

7 Q u (t) Q i (t) dotok vode u promatrani sustav otjecanje vode iz promatranog sustava Dotok u sustav i otjecanje iz sustava se sastoje od više elemenata i ovise o sustavu koji se promatra (npr. akumulacija, slivno podruĉje nekog vodotoka). Osnovni hidrološki procesi u vodnoj bilanci su oborine, isparavanje i otjecanje. Osnovna jednadţba vodne bilance glasi: gdje je: U- ulazna veliĉina I- izlazna veliĉina ΔW- promjena sadrţaja vode (vlage) u slivu Oborine predstavljaju ulaznu veliĉinu a isparavanje i otjecanje izlaznu veliĉinu na nekom promatranom slivu, te pri tome vrijedi relacija: Odnosno ako gdje je: P- oborina pala na promatrano slivno podruĉje O 1 - otjecanje vode sa slivnog podruĉja O 2 - poniranje vode u podzemlje E- isparavanje sa slivne površine 4

8 2.2. Transformacija oborine u otjecanje Formiranje otjecanja je izrazito sloţen i dinamiĉan proces koji se razliĉito odvija ne samo na razliĉitim slivovima, već i na istom slivu ukoliko se na njemu prirodnim putem ili djelovanjem ĉovjeka mijenjaju uvjeti otjecanja. Ukoliko je intenzitet kiše manji od intenziteta upijanja i evapotranspiracije, sva će oborina ući u profil tla. Do pojave površinskog otjecanja dolazi kad je tlo saturirano vodom ili kada je intenzitet kiše veći od intenziteta upijanja. Preciznije, najprije na red dolazi popunjavanje površinskih depresija, tj. površinskog akumuliranja, a zatim se voda poĉinje površinom kretati niz nagib, u veoma tankom sloju koji se duţ trase puta povećava. Time se povećavaju i brzine teĉenja koje su po površini mnogo manje nego brzine teĉenja po jarcima i vodotocima. Na slici 3 prikazana je raspodjela oborine na elemente hidrološkog ciklusa na kopnu za sluĉaj kada je intenzitet oborine veći od intenziteta infiltracije. U prvih nekoliko sati koliĉina površinskog otjecanja ovisi i o mogućnosti površinskog akumuliranja vode. Nakon što se ta mogućnost iscrpi, površinsko otjecanje ovisi samo o intenzitetu infiltracije koji s duljinom trajanja kiše i povećanjem saturiranosti tla vodom slabi. Slika 3: Raspodjela oborine na elemente hidrološkog ciklusa na kopnu 5

9 Ljudske intervencije na slivovima uzrokuju promjene infiltracijskih uvjeta ĉime se znaĉajno utjeĉe na promjenu procesa otjecanja. Jedan dio vode koja infiltrira u tlo nastavlja teći gornjim horizontima tla dok ga ne preuzme korito vodotoka ili dok ne iziċe na površinu na nekom drugom mjestu, niţem od mjesta infiltracije. Ova komponenta otjecanja koja dospijeva u vodotok s odreċenim zakašnjenjem u odnosu na površinsko otjecanje naziva se potpovršinsko otjecanje i karakteristiĉna je za sve slivove, a ovisi o strukturi tla. U uvjetima vlaţenja zemljišta iznad tzv. poljskog kapaciteta, dio oborine se pod djelovanjem sile teţe procjeċuje do vodonepropusnog sloja ili razine podzemne vode. Dotok iz podzemne vode stiţe do vodotoka najsporije od svih komponenti otjecanja, no njegov se doprinos vodotoku ne smije zanemariti. Dio infiltrirane vode ostaje zarobljen izmeċu površine tla i razine podzemne vode u tzv. zoni aeracije, te sa stajališta otjecanja predstavlja gubitke. Iz toga proizlazi podjela ukupnog otjecanja na površinsko, potpovršinsko i bazno. MeĊutim, u hidrološkoj praksi uobiĉajeno je klasificirati otjecanje na direktno i bazno s obzirom na vrijeme koje je potrebno da se nakon poĉetka oborine na promatranoj lokaciji dogodi porast protoka. Slika 4: Transformacija oborine u otjecanje 6

10 Transformacija ukupne oborine koja padne na sliv u otjecanje i veza izmeċu pojedinih komponenti hidrološkog ciklusa shematski je prikazana na slici 4. Ukupno otjecanje vode kao proces, predstavlja gravitacijsko teĉenje vode s odreċenog sliva u vodotoku. Direktno otjecanje je onaj dio ukupnog otjecanja koje dospije u vodotoke sliva brzo po prestanku kiše ili topljenja snijega, a jednako je sumi površinskog i brzog potpovršinskog otjecanja, te oborine pale na samu površinu vodotoka. Bazno otjecanje je onaj dio ukupnog otjecanja koje potiĉe od dotoka vode iz podzemlja i zakašnjelog potpovršinskog otjecanja. Otjecanje vodotokom za vrijeme dugotrajnih sušnih razdoblja je u cijelosti bazno otjecanje. Dok su oborine na kopnenim dijelovima zemlje po svojoj pojavi vrlo promjenjive u vremenu, prostoru i po svojoj koliĉini, promjenjivost otjecanja je manja. To je posljedica ponajviše retencijskih kapaciteta površinskih slojeva zemlje, zbog kojih se dio vode od oborine zadrţava i postepeno drenira u vodotoke datog sliva Analiza hidrograma otjecanja Svrha analize otjecanja je da se na osnovi ukupnih oborina palih na sliv odredi raspodjela otjecanja u vremenu kroz izlazni profil sliva, odnosno da se odredi hidrogram otjecanja. Inţenjerski gledano, hidrogram otjecanja je posljedica hijetograma pale kiše i krivulje infiltracije, odnosno sposobnosti zemljišta da upije odreċenu koliĉinu vode od trenutka padanja kiše do prestanka prisutnosti vlage na slivu od te kiše. Parametri koji utjeĉu na hidrogram na nekoj lokaciji su sloţeni i meċusobno ovisni, tako da jedno slivno podruĉje ne moţe proizvesti dva potpuno jednaka hidrograma za dvije sliĉne kiše kao ulaz, niti dvije slivne površine iste veliĉine mogu generirati iste hidrograme za sliĉne kiše kao ulaz. 7

11 Oblik hidrograma otjecanja, odnosno vremenska distribucija otjecanja i koliĉina otjecanja su ponajviše pod utjecajem klimatskih i fiziĉkih karakteristika sliva. Opći oblik hidrograma otjecanja za sluĉaj jedne izolirane kiše, konstantnog intenziteta i ravnomjerno rasporeċene po slivu, moţe se podijeliti na tri dijela (slika 5): Slika 5: Općeniti oblik hidrograma 1. razdoblje porasta protoka u vremenu 2. vršni dio u kojem protok doseţe maksimum 3. razdoblje opadanja ili retardacije protoka Oblik segmenta porasta hidrograma (odsjeĉak BC) ovisi o trajanju, intenzitetu, te vremenskoj i prostornoj raspodjeli oborine na slivu, o prethodnoj vlaţnosti sliva, infiltracijskim karakteristikama tla, obliku i nagibu sliva. Na konkavnost poĉetnog dijela ovog segmenta, utjeĉe i površinsko zadrţavanje na poĉetku kiše. Porast hidrograma je rezultat doprinosa sve veće i veće slivne površine u otjecanju poĉinjući s poĉetkom kiše. Maksimalno otjecanje na slivu javlja se u trenutku kada ĉitava površina sliva doprinosi otjecanju, što se dogaċa u sluĉaju kada kiša obuhvati ĉitav sliv, a trajanje kiše je jednako ili veće od vremena koncentracije. Drugim rijeĉima, dio sliva koji je najbliţi izlaznom profilu mora još uvijek doprinositi otjecanju kad voda s najudaljenije toĉke na slivu dospije do izlaza. Zbog toga kiša istog intenziteta, a trajanja jednakog ili većeg od vremena koncentracije generira veći vršni protok nego ista kiša kraćeg trajanja. 8

12 Preostali dio hidrograma je segment opadanja (odsjeĉak EG). Oblik segmenta opadanja hidrograma do nekog baznog protoka ne ovisi o karakteristikama kiše i infiltraciji, nego u prvom redu o fiziĉkim karakteristikama sliva i o hidrografske mreţe Efektivne oborine i hidrogram direktnog otjecanja Vremenska distribucija i koliĉina kiše koja je pala na sliv, moţe se predstaviti hijetogramom pale kiše (dijagram intenziteta/visine kiše kao funkcije vremena) koji se dobije na osnovi ombrografskih mjerenja. Intenzitet kiše nikad nije ravnomjeran tijekom ĉitavog trajanja kiše, pa se vremenska baza hijetograma dijeli na odreċen broj vremenskih intervala unutar kojih se smatra da je intenzitet kiše konstantan. Trajanje ovih intervala je za kiše kraćeg trajanja nekoliko minuta, a za dugotrajne kiše i do nekoliko sati. Gubici, koji su najvećim dijelom posljedica infiltracije vode u tlo su takoċer promjenjivi tijekom vremena. Kada se od hijetograma pale kiše oduzmu gubici, dobije se hijetogram efektivne kiše, kojem po volumenu otekle vode odgovara hidrogram direktnog (površinskog) otjecanja. Obzirom da se oborine mjere relativno jednostavno, moţe se doći do dovoljno pouzdanih podataka na osnovi kojih se mogu ocijeniti prosjeĉne oborine na nekom slivnom podruĉju. Ukupna ili bruto kiša se dobije na osnovi mjerenja pale kiše na ĉitavom slivnom podruĉju, a efektivna ili neto kiša moţe se odrediti temeljem mjerenja protoka na izlaznom profilu sliva. Za razliku od mjerenja oborine, mjerenje otjecanja odnosno protoka je sloţenije. Mjerenja protoka su manje pouzdana. Ĉesto raspoloţivih podataka uopće nema, pa se teško donose zakljuĉci o mogućim protocima. Poznavanje veze izmeċu oborine i otjecanja, utvrċene za jedno kraće razdoblje, omogućava da se uz poznavanje oborine procjene protoci u nekom budućem razdoblju. 9

13 Slika 6: Karakteristiĉni parametri hidrograma direktnog otjecanja Znaĉenje karakteristiĉnih parametara hidrograma direktnog otjecanja u odnosu na oborinu koja ga je izazvala je: Q max T p T r T b T k t p W i f maksimalna ordinata hidrograma direktnog otjecanja vrijema podizanja hidrograma direktnog otjecanja vrijeme opadanja hidrograma direktnog otjecanja vremenska baza hidrograma direktnog otjecanja ukupno trajanje efektivne kiše vrijeme zakašnjenja sliva (vrijeme od teţišta hijetograma efektivne kiše do pojave Q max ) volumen otekle vode (volumen hidrograma direktnog otjecanja) intenzitet pale kiše intenzitet infiltracije 3. PARAMETRI OTJECANJA 3.1. Klimatske znaĉajke Na koliĉinu otjecanja i oblik hidrograma najznaĉajniji utjecaj ima intenzitet i trajanje oborine, te distribucija oborine u vremenu i prostoru. 10

14 Kišni intenzitet je odnos izmeċu visine pale kiše (h) i njenog trajanja (t): I izraţava se najĉešće u mm/h ili mm/min. Intenzitet kiše nije ravnomjeran tijekom ĉitavog trajanja kiše. U proraĉunima se zbog toga vremenska baza hijetograma dijeli na inkremente unutar kojih se moţe smatrati da je intenzitet kiše konstantan. Varijacije u intenzitetu kiše u malim vremenskim razdobljima tijekom padanja kiše mogu utjecati na oblik hidrograma otjecanja kod malih slivnih površina, ali generalno će imati malo uoĉljiv utjecaj na formu hidrograma kod velikih slivnih površina. Generalno, veći intenzitet oborine rezultira i većim otjecanjem. Ako je intenzitet kiše veći od intenziteta infiltracije, otjecanje zapoĉinje odmah nakon poĉetka kiše. Za kiše manjeg intenziteta otjecanje poĉinje kasnije. Slika 7: Oblik hidrograma u ovisnosti o intenzitetu kiše Na slici 7 prikazani su hidrogrami koji su rezultat kiša razliĉitog intenziteta, ali istog trajanja za sluĉaj kada je trajanje kiše dulje od vremena koncentracije. Moţe se uoĉiti da 11

15 kiše većeg intenziteta rezultiraju većim maksimalnim protokom, ali segment porasta hidrograma ima isti oblik za sva tri sluĉaja. Specifiĉnost kišnih intenziteta je u tome da se oni s trajanjem kiše umanjuju. Za inţenjersku praksu, osobito za problematiku urbane hidrologije i proraĉune kišne kanalizacije, od većeg interesa su kratkotrajne kiše jakih intenziteta. Kiša manje visine, ali velikog intenziteta daje veći protok slijevanja nego kiša koja pada dugo sa slabim intenzitetom, pa postiţe veće visine od prve. Kod malih slivova jaki kišni intenziteti u naĉelu formiraju maksimalne protoke, jer te kiše iako su jake mogu trajati jednako ili dulje od vremena koncentracije, pa je maksimalno otjecanje proporcionalno površini sliva i intenzitetu oborine. Kod velikih slivova ekstremno veliko otjecanje ne mogu stvoriti jaki kišni intenziteti zbog njihova ograniĉenog prostiranja u prostoru. Trajanje oborine izravno utjeĉe na volumen vode koji otjeĉe s obzirom da intenzitet infiltracije opada što je trajanje kiše dulje. Utjecaj trajanja kiše istog intenziteta je prikazan na slici 8. Ako kiša traje dulje od vremena koncentracije bit će dosegnut maksimalni protok koji je proporcionalan sa površinom sliva i kišnim intenzitetom. Slika 8: Oblik hidrograma ovisno o trajanju kiše 12

16 Uĉinak prethodne oborine ima utjecaj na sadrţaj vlage u površinskom sloju zemljišta i stvaranja otjecanja kod neke jake kiše, jer o tome ovisi pripremljenost tla za otjecanje. Na slici 9 prikazan je utjecaj prethodne vlaţnosti terena na oblik hidrograma, kao rezultat fizikalnog modeliranja otjecanja sa laboratorijskog sliva i primjene kiše trajanja 45 sekundi na propustljivom terenu. Šrafirana površina predstavlja volumen upijene vode. Razlike u otjecanju su veće što je trajanje kiše kraće. Slika 9: Oblik hidrograma u ovisnosti o prethodnoj oborini Raspodjela oborine na slivu znaĉajno utjeĉe na proces transformacije pale kiše u hidrogram otjecanja. Što je centar kiše bliţi izlaznom profilu sliva, otjecanje je veće, dolazi do naglog porasta hidrograma, ali i do brzog opadanja (slika 10b). Ako se veći dio kiše javi na gornjem dijelu slivne površine, odgovarajući hidrogram ima niţi i razvuĉeniji vrh (slika10a). Slika 10: Oblik hidrograma u ovisnosti o raspodjeli kiše na slivu 13

17 Pravac kretanja kiše s obzirom na orijentaciju hidrografske mreţe takoċer utjeĉe na oblik hidrograma. Ako se oluja kreće uzvodno, otjecanje se odmah javlja i brzo raste zbog kiše koja na samom poĉetku pljuska pada blizu izlaznog profila (hidrogram 1 na slici 11). Slika 11: Utjecaj pravca kretanja kiše na hidrogram otjecanja Ukoliko se oluja kreće nizvodno (hidrogram 2 na slici 11), otjecanje kasni zbog putovanja vode s uzvodnih dijelova sliva. Kasnije, protok brzo raste zbog toga što se protok koji je dospio sa gornjih dijelova sliva, superponira s otjecanjem s površine blizu izlaza. Vrsta oborine po svojoj genezi znaĉajno utjeĉe na hidrogram. Hidrogrami olujnih padalina su strmi, ciklonskih oborina su mnogo zaobljeniji, dok hidrogram snjeţnog pokrivaĉa pokazuje tendenciju spljoštenog i razvuĉenog uzorka. Iz toga proizlazi zakljuĉak da se na malim slivovima mogu formirati ekstremno velike vode samo od olujnih kiša dok su ciklonske padaline frontalnog tipa znaĉajne za hidrološko prognoziranje na velikim slivovima. Ostali klimatski faktori kao što su temperatura, brzina vjetra i relativna vlažnost zraka utjeĉu na otjecanje jer o njima ovise gubici na slivu (evaporacija, transpiracija). 14

18 Temperatura je uz oborinu najvaţniji klimatski faktor koji utjeĉe na otjecanje. Razdioba toplinske energije, kao i njena koliĉina su od bitnog znaĉenja za ukupnu genezu deficita otjecanja. Iz niza višegodišnjeg opaţanja temperature na meteorološkim stanicama mogu se izdvojiti razdoblja nejednolikog i naglog topljenja snijega u slivu, odnosno mogućih ekstremno velikih vodnih koliĉina, kao i razdoblja kada su gubici vode kod isparavanja znatni, a time i pojava malih voda u vodotocima. Povećanjem deficita vlaţnosti zraka raste i isparavanje pri odreċenoj temperaturi, a time i deficit otjecanja Fiziĉke znaĉajke sliva Za razliku od klimatskih znaĉajki, fiziĉke znaĉajke sliva su manje podloţne promjenama tijekom vremena. Na reţim otjecanja utjeĉu sljedeći parametri: veliĉina sliva oblik sliva orijentacija sliva veliĉina i oblik popreĉnog presjeka vodotoka, njihov pad, hrapavost i duţina vrsta tla sadrţaj vlage u zemljištu naĉin obrade i korištenja zemljišta Veliĉina i oblik sliva Glavni utjecaj porasta veliĉine slivne površine na oblik hidrograma otjecanja ogleda se u produţenju vremenske baze hidrograma. Ukupni volumen oborine koja dospije do nekog profila na vodotoku direktno je proporcionalna veliĉini slivne površine. Za odreċenu kišu, specifiĉni maksimalni protok izraţen u m 3 /s/km 2 opada s porastom veliĉine slivne površine. Oblika sliva znaĉajno utjeĉe na naĉin i intenzitet otjecanja, te oblik formiranja vodnih valova u koritu vodotoka. Oblici mogu biti koncentrirani i izduţeni. 15

19 Na slici 12 prikazana su dva sliva iste površine na koji pada kiša istog intenziteta. Uţi izduţeniji sliv ima veće vrijeme koncentracije i generira manji maksimalni protok nego sliv iste površine i polukruţnog oblika. Slika 12: Oblik hidrograma ovisno o obliku sliva Intenzitet infiltracije i sadržaj vlage u tlu Sposobnost tla da upija vodu, regulira infiltraciju vode ka niţim razinama i utjeĉe na udio pojedinih komponenti otjecanja u ukupnom otjecanju vode. Ovaj sloţeni proces ovisi o intenzitetu kiše i (mm/h), intenzitetu infiltracije f (mm/h), volumenu upijene vode F (mm) i deficitu vlage u tlu d (mm) kao razlike izmeċu poljskog kapaciteta i aktualnog sadrţaja vlage Geološke znaĉajke Geološki faktori utjeĉu na oblik hidrograma preko fenomena podzemnog otjecanja i veza izmeċu površinskog i podzemnog vodnog reţima. 16

20 Slika 13: Tipovi teĉenja vodotok-podzemlje Na slici 13 prikazani su tipovi teĉenja iz vodotoka u podzemlje i obrnuto: a) normalno strujanje (kod niskih vodostaja vodotok se prihranjuje iz podzemlja, kod srednjih i visokih vodostaja dolazi do infiltracije iz vodotoka u podzemlje) b) influentno strujanje (vodotok prihranjuje podzemlje neovisno o vodostaju) c) efluentno strujanje (vodotok se prihranjuje iz podzemlja neovisno o vodostaju ) Geološke karakteristike sliva su odgovorne za intenzitet infiltracije tijekom padanja kiše. Ako geološku graċu sliva formiraju vodopropusni materijali tada će otjecanje biti manje zbog povećane infiltracije, u odnosu na vodonepropusne materijale. Prisutstvo rasjeda, pukotina, lomova u geološkim formacijama rezultira skretanjem vode ka drugim lokacijama. Takve formacije mogu takoċer skrenuti vodu iz promatranog sliva ka susjednom slivu Biološke znaĉajke Vegetacija sa svojom gustoćom i visinom omogućava povećanu infiltraciju vode, povećava akumuliranje vode tlu i na taj naĉin utjeĉe na spljoštenost vršnog segmenta hidrograma. U razdoblju intenzivnog rasta, vegetacija troši vodu iz zemljišta kroz proces transpiracije i na taj naĉin je zemljište sposobno primiti veću koliĉinu vode. Pošumljeni tereni zbog prisutstva korijenja i bogatog humusnog sloja, imaju daleko veći infiltracijski kapacitet nego gole površine. 17

21 3.5. Utjecaj ljudskog rada Obrada zemljišta u smislu oranja i kopanja znaĉajno povećava intenzitet infiltracije. S poljoprivrednih površina, naroĉito ako je obrada u smjeru izohipsi, direktno otjecanje je manje nego s neobraċenih površina istih topografskih karakteristika. Mnogi hidrotehniĉki zahvati, poput kanaliziranja i regulacije vodotoka pogoršavaju reţim velikih voda, što se oĉituje u povećanju maksimuma i formiranju oštrijeg vršnog segmenta hidrograma. Urbanizacija predstavlja jednu od najvećih ljudskih modifikacija hidrologije sliva u razvijenim podruĉjima. Zbog urbanizacije i povećanja nepropusnih ili slabije propusnih površina na slivu, vrijeme podizanja vodnih valova je skraćeno. 4. OSNOVE MONITORINGA KOJE DEFINIRAJU OTJECANJE Da bi veliĉinu otjecanja mogli kvantificirati, neophodno je provesti odreċena hidrološka mjerenja u pojedinim toĉkama vodotoka na slivu, odnosno na odabranim hidrološkim stanicama. U tom dijelu hidrologije posluţit ćemo se hidrometrijom, odnosno metodama mjerenja i mjernim instrumentima za mjerenje pojedinih parametara, koji definiraju veliĉinu otjecanja. Osnovni hidrološki parametri koji definiraju otjecanje su: vodostaj dubina brzina vode protoka Hidrometrija nam omogućuje da kvantificiramo svaki od navedenih parametara, sa većom ili manjom toĉnošću. Pouzdanost dobivenih vrijednosti svakako će ovisiti o ispravnom odabiru mjernih instrumenata, naĉinu mjerenja, metodologiji obrade izmjerenih podataka, kao savjesnosti pristupu i iskustvu mjerenja. U nastavku će biti opisani naĉini mjerenja navedenih parametara. 18

22 4.1. Mjerenje vodostaja Vodostaj je vertikalna udaljenost izmeċu pretpostavljene mjere (kota nula vodomjera) i trenutnog nivoa vode u mjernom profilu vodotoka. To je osnovna hidrološka veliĉina koja se mjeri na svakoj hidrološkoj mjernoj stanici. Mjerenje vodostaja provodi se: povremeno mjerenje tokom nekog vremenskog razdoblja (vodomjerna letva) kontinuirano mjerenje tokom vremena (limnigrafi) Vodomjerna letva je stupnjevana skala koja se koristi kako bi se oznaĉila razina vodene površine u vodotocima. Vodomjerne letve se obiĉno oĉitavaju jednom dnevno time da se ĉitanja zaokruţuju na 1 cm. MeĊutim kod visokih voda ĉitanje se vrši i svakog sata radi potrebe prognoziranja fenomena velikih voda na nizvodnim sektorima rijeke ili uopće u cilju upoznavanja parametara vodnog vala. Na slici 14 prikazana je stepenasto postavljena vodomjerna letva. Slika 14: Stepenasto postavljena vodomjerna letva Nedostatak vodomjerne letve je upravo taj što se oĉitanja vrše jednom dnevno te se oĉitani iznosi prihvaćaju kao srednji dnevni vodostaji. Takav podatak, naroĉito kada se 19

23 radi o malim vodotocima moţe zbog mogućih naglih promjena vodostaja tijekom dana znaĉajno odstupati od stvarnih srednjih vrijednosti. Zbog tog razloga vodostaje se nastoji pratiti neprekidno pomoću limnigrafa. Limnigraf je instrument za toĉniji naĉin mjerenja vodostaja na vodotoku na naĉin da neprekidno biljeţi razine vode tijekom vremena. Radi kontrole i provjere mjerenja limnigrafom potrebna je prisutnost vodomjerne letve u mjernom profilu. Metode rada limnigrafa su razliĉite. Od klasiĉnih mehaniĉkih metoda sa plovkom (slika 15), do danas elektronskih mjeraĉa sa sofisticiranim tlaĉnim ili ultrazvuĉnim osjetnicima. Zapisi mjerenja vodostaja su takoċer od analognih zapisa na papirnate trake, do digitalnih zapisa na memorijske kartice ili mikroĉipove elektronskih limnigrafa. Slika 15: Princip rada limnigrafa Prilikom postavljanja vodomjerne letve i limnigrafa, kao i prilikom izbora tipa instrumenta, potrebno je voditi raĉuna da se omogući mjerenje vodostaja u njegovoj amplitudi od najniţeg do najvišeg vodostaja u mjernom profilu vodotoka. Pri tome se postavljena kota nule vodomjera više ne smije mijenjati. 20

24 4.2. Mjerenje dubine Dubina vode je vertikalna udaljenost izmeċu kote dna i trenutnog nivoa vode u mjernom profilu vodotoka. Vrijednost dubine vode obiĉno se izraţava u (cm, m). To je hidrološka veliĉina koja definira geometrijske osobine mjernog profila ispod površine vode (popreĉni i uzduţni profil vodotoka). Slika 16 prikazuje popreĉni profil vodotoka koji je dobiven mjerenjem dubine. Slika 16: Popreĉni profil vodotoka Rezultat mjerenja dubine vode su situacije korita vodotoka, jezera ili akumulacija sa ucrtanim izobatama. Mjerenje dubina vode obiĉno se provode u razdobljima najniţih vodostaja. Mjerenje dubine vode provodi se razliĉitim metodama: Hidrometrijska metoda mjerenja danas je još uvijek najĉešće zastupljena metoda na našim vodotocima. Za mjerenje dubine vode maksimalno do 300 cm upotrebljavaju se razliĉiti tipovi motki-sondirki koje su oznaĉene centrimetarnom podjelom. Za veće dubine koristi se graduirano ĉeliĉno uţe na koluturu, sa utegom razliĉitih teţina. Takva mjerenja dubine vode provode se iz plovila ili prihvatljive konstrukcije mosta. Pri tome potrebno je obaviti korekciju izmjerene dubine uslijed iskošenja uţeta u ovisnosti od brzine vode na mjernom mjestu. Hidrostatska metoda za odreċivanje dubine vode koristi osnovni zakon hidrostatike (p=ρgh), odnosno vezu dubine vode (h) i hidrostatskog tlaka (p). Postoje razliĉiti naĉini konstrukcije takvih mjernih instrumenata. Od ugraċenih osjetljivih membrana koje 21

25 reagiraju na promjenu hidrostatskog tlaka (p) do raznih manometara koji biljeţe razliku izmeċu konstantnog, poznatog tlaka komprimiranog plina (p 1 ) i promjenljivog hidrostatskog tlaka (p) na mjernom mjestu. Tokom mjerenja dubina vode (h) potrebno je stalno mjeriti i trenutni vodostaj (H) u mjernom profilu vodotoka, radi kasnije korekcije dubina vode na isti vodostaj (raĉunski vodostaj). To je neophodno, kako bi izmjerene veliĉine dubina vode u razliĉitim vremenskim razdobljima, bile meċusobno usporedive. Temeljem tako izmjerenih dubina mogu se kasnije izraċivati situacije vodnih površina u izobatama Mjerenje brzine vode Da bi mogli definirati brzinu volumena vode u popreĉnom presjeku nekog vodotok, potrebno je odrediti apsolutnu vrijednost te brzine, pravac u odnosu na neki koordinatni sustav i smjer vektora brzine. Kada odreċujemo brzinu vode u površinskom vodotoku, obiĉno su nam poznate veliĉine pravca i smjera vektora brzine. Pri tome je potrebno odrediti, odnosno izmjeriti samo apsolutnu vrijednost brzine. Za odreċivanje brzine vode u nekom vodotoku potrebno je odrediti sva tri navedena elementa koji definiraju vrijednost brzine vode. U hidrometriji postoji više metoda za mjerenje brzina vode u proticajnom profilu vodotoka. U ovisnosti od odabrane metode koriste se i pripadajući mjerni instrumenti. Generalno mjerne metode moţemo podijeliti na sljedeće: 1. Mjerenje brzine plivajućeg tijela 2. Mjerenje brzine okretanja potopljene elise 3. Mjerenje brzinske visine 4. Mjerenje induciranog napona 5. Mjerenje Dopplerovog efekta U nastavku će biti opisano mjerenje brzine okretanja potopljene elise. 22

26 Mjerenje brzine okretanja potopljene elise Mjerenje brzina vode putem okretanja potopljene elise (hidrometrijsko krilo) je klasiĉan, mehaniĉki naĉin mjerenja. Mjerenje se zasniva na poznatoj jednoznaĉnoj vezi izmeċu brzine vode i broja okretaja elise uronjene u odreċenoj toĉki vodotoka. Slika 17 prikazuje hidrometrijsko krilo. Slika 17: Hidrometrijsko krilo Osnovne dijelove hidrometrijskog krila ĉine: elisa sa osovinom tijelo krila sa kontaktnim mehanizmom prikljuĉni kontaktni kablovi stabilizator krila i uteg, kod mjerenja pomoću uţeta brojaĉ okretaja sa ugraċenim kronometrom Mjerenje profila brzina po dubini i širini vodotoka provodi se u nizu odabranih toĉaka popreĉnog presjeka Mjerenje protoka Protok je najznaĉajnija hidrološka i hidrauliĉka veliĉina, koja opisuje otjecanje vode sa odgovarajućeg slivnog prostora nekog vodotoka. Poznavanje protoka je glavni preduvjet za sve projektantske i izvoċaĉke radove na vodotoku ili u vezi sa njime. 23

27 Mjerenje se moţe vršiti pomoću Hidrauliĉke metode. Spomenuta metoda koristi odreċene mjerne objekte izvedene na vodotoku (preljevi i kanali) koji su baţdareni, tako da postoji poznata funkcijska veza izmeċu razine vode na mjernom objektu (vodostaja) i protoka vode. Shematski prikaz preljeva dan je na slici 18. Slika 18: Oštrobridni pravokutni preljev (a) i Thomsonov preljev (b) 5. MOGUĆE METODE DEFINIRANJA HIDROGRAMA 5.1. Racionalna metoda Racionalna metoda je široko prihvaćena metoda za proraĉun maksimalnih protoka na slivovima veliĉine do 50 km 2 za koje vrijedi pretpostavka da je intenzitet oborine konstantan. Osnovna pretpostavka racionalne metode jest da za vrijeme olujnih oborina jednolika intenziteta i jednolike raspodjele na slivu dolazi do maksimalnog protoka vodnog vala u trenutku kada cijela površina sliva sudjeluje u formiranju hidrograma. Otjecanje postupno raste od nule do maksimuma koji se javlja kada trajanje kiše dosegne vrijeme koncentracije sliva. Nakon prestanka kiše otjecanje postepeno opada i doseţe vrijednost nula nakon vremena T c od trenutka prestanka kiše. 24

28 Prema racionalnoj metodi, maksimalni protok Q max koji se formira na nekom slivnom podruĉju odreċuje se primjenom jednostavnog izraza: gdje je: A površina sliva i (t 0,P r ) mjerodavna jaĉina oborine kao funkcija trajanja t 0 i odabranog povratnog razdoblja P r (m/s) c racionalni koeficijent Mjerodavni kišni intenzitet se odreċuje na temelju definiranih ITP krivulja (intenzitettrajanje-ponavljanje oborine). Što je veće odabrano povratno razdoblje (odabir ovisi o tome koja se problematika rješava), veći je i intenzitet kiše mjerodavnog trajanja jednakog vremenu koncentracije otjecanja. Jedan od najvaţnijih zadataka u primjeni ove metode je upravo odreċivanje vremena koncentracije. Racionalni koeficijent je bezdimenzionalna veliĉina i predstavlja odnos izmeċu efektivnih i bruto oborina. Racionalni koeficijent je jedan od osnovnih pokazatelja procesa transformacije oborine u otjecanje i zavisi od velikog broja ranije nabrojanih uvjeta otjecanja. Tablica 1: prosjeĉne vrijednosti racionalnog koeficijenta C 25

29 Ograniĉenja racionalne formule su sljedeća: formula je primjenjiva za male slivove (površine do 50 km 2 ) trajanje kiše koja se koristi u formuli mora biti jednako ili veće od vremena koncentracije formula daje maksimalnu vrijednost hidrograma, ali ne daje i hidrogram 5.2. Metoda jediniĉnog hidrograma Koncept jediniĉnog hidrograma je u hidrologiju uveo Sherman Godine sa sljedećom definicijom: Jedinični hidrogram je hidrogram površinskog otjecanja od efektivne kiše visine 1 mm čije je trajanje T sati. Pri tome vrijede sljedeće pretpostavke: 1. Efektivna kiša je ravnomjerno rasporeċena u vremenu tijekom svog trajanja. 2. Efektivna kiša je ravnomjerno rasporeċena u prostoru tijekom svog trajanja. 3. Na datom slivu, kiše istog trajanja generiraju hidrograme otjecanja koji imaju pribliţnu istu vremensku bazu, neovisno od intenziteta kiše koja ih je izazvala. 4. Za dati sliv, ordinata hidrograma otjecanja je proporcionalna volumenu direktnog otjecanja, odnosno visini efektivne kiše, ako su kiše istog trajnja. Zbog vaţeće proporcionalnosti, ordinate hidrograma se mogu zbrajati. 5. Na datom slivu, raspodjela otjecanja u vremenu odnosno oblik hidrograma od kiša odreċenog trajanja je nezavisna od prethodnih ili budućih kiša. Na osnovi navedenih pretpostavki, moţe se zakljuĉiti da se teorija jediniĉnog hidrograma bazira na postulatu da se sliv ponaša kao jedan linearan i stacionaran sustav, pri ĉemu vrijede principi proporcionalnosti i superpozicije. 26

30 Slika 19: Osnovne pretpostavke teorije jediniĉnog hidrograma Ako je u promatranom profilu zabiljeţen nivogram kao posljedica (izmjerene) kiše, na osnovi njega se moţe odrediti jediniĉni hidrogram na sljedeći naĉin: 1. Konstrukcija hidrograma temeljem nivograma 2. Odvajanje direktnog i baznog otjecanja 3. OdreĊivanje vremenske baze hidrograma T b 4. Proraĉun volumena izravnog otjecanja vode 5. Proraĉun efektivne kiše 6. Proraĉun ordinata jediniĉnog hidrograma Za konstrukciju jediniĉnog hidrograma prednost imaju jake kiše s jednolikom prostornom raspodjelom na slivu i izolirane olujne kiše jednolikog intenziteta. Jediniĉni hidrogram je kao metoda dovoljno pouzdan i kada se konstruira na osnovi podataka dobivenih jednokratnim mjernjem i opaţanjem na slivovima na kojima nisu uspostavljena redovita mjerenja i opaţanja Metoda izokrona Osnovna pretpostavka na kojoj se temelji metoda izokrona je da voda s pojedinih dijelova sliva stiţe do izlaznog profila vodotoka u razliĉitim vremenskim intervalima Δt. Najprije se pojavljuje voda koja otjeĉe s dijelova sliva najbliţih izlaznom profilu. Hidrogram otjecanja se odreċuje na temelju površine sliva s izokronama, hijetograma 27

31 efektivne oborine i dijagrama vrijeme-površina. Grafiĉki prikaz odreċivanja hidrograma otjecanja metodom izokrona dan je na slici 20. Slika 20: OdreĊivanje hidrograma pomoću metode izokrona Uobiĉajeni postupak odreċivanja hidrograma površinskog otjecanja metodom izokrona provodi se na sljedeći naĉin: 1. Konstrukcija izokrona na temelju proraĉuna vremena otjecanja s pojedinog dijela sliva 2. Konstrukcija hijetograma efektivne kiše konstantnih intenziteta u vremenima Δt. Trajanje efektivne kiše T k je 3. Konstrukcija dijagrama vrijeme-površina sliva 4. Konstrukcija hidrograma otjecanja pri ĉemu u prvoj jedinici vremena Δt dolazi do izlaznog profila voda s površine a 1 uslijed efektivne kiše intenziteta i 1, pa je protok na kraju vremena Δt: 28

32 Na kraju druge vremenske jedinice 2Δt, do izlaznog profila dolazi voda s površine a 1 na koju je pala kiša intenziteta i 2, te voda s površine a 2 na koju je pala kiša intenziteta i 1. Protok nakon 2Δt iznosi: Protok nakon i-te vremenske jedinice iznosi: Vremenska baza hidrograma površinskog otjecanja iznosi: gdje je: T b vremenska baza hidrograma površinskog otjecanja T c vrijeme koncentracije sliva T k trajanje efektivne kiše Δt vremenski korak proraĉuna S obzirom na metoda izokrona uzima u obzir samo inercijalne osobine sliva (zakašnjenje), potrebno je odreċenim metodama transformacije obraditi i utjecaj retencijske sposobnosti sliva. Pri tome se najĉešće primijenjuju metoda linearnog ili nelinearnog rezervoara. 29

33 6. ZAKLJUĈAK Analiza hidrograma je vrlo kompleksan posao koji zahtijeva mjerenja u smislu prikupljanja što više podataka i uzimanja onih podataka koji su mjerodavni u odreċenim metodama koje definiraju hidrogram. Pri tome je vaţno napomenuti, kako hidrologija nije egzaktna znanost, jer utvrċivanje procesa otjecanja vode je podloţno visokom stupnju nesigurnosti te ga je nemoguće toĉno analizirati. Polazeći od te tvrdnje moţemo reći kako je logiĉno da postoji više metoda pomoću kojih se kreira hidrogram, a da ni jedna ne prikazuje toĉan nego relevantan hidrogram, te se bazira na pretpostavkama koje ga opisuju. Pretpostavke u tom sluĉaju poprimaju oblik idealnih matematiĉkih i fiziĉkih modela. Empirijska metoda (Racionalna metoda), bazira se na empirijskoj formuli koja izraţava maksimum protoka kao funkcije veliĉine sliva i drugih ĉimbenika bitnih za otjecanje. Deterministiĉka metoda (Metoda jediniĉnog hidrograma), odreċena je ulaznim parametrom (oborinama) i izlaznim parametrom (protokom), bez ulaţenja u fiziĉke zakone koji upravljaju radom sustava. Dakle, zakljuĉujemo kako se metode odabiru prema raspoloţivim podacima zavisno od zahtjeva metode. Nadalje, pod podatke se podrazumijevaju i parametri kao što su klimatske i fiziĉke znaĉajke sliva, koje daleko najviše utjeĉu na karakter otjecanja, te samim time i na izgled hidrograma. Vrsta oborina je parametar koji treba istaknuti jer po svojoj genezi znaĉajno utjeĉe na izgled hidrograma. Hidrogrami olujnih padalina su strmi, ciklonskih oborina su mnogo zaobljeniji, dok hidrogram snjeţnog pokrivaĉa pokazuje tendenciju spljoštenog i razvuĉenog uzorka. Prikupljanje podataka je vrlo vaţan dio kod izrade hidrograma jer je bez kvalitetnih podataka nemoguće doći do potrebnih i korisnih informacija. Pomoću hidrometrije moţemo mjeriti hidrološke parametre: vodostaj, dubinu vode, brzinu vode i protoku. Protoka je neophodan parametar koji se rijetko neposredno mjeri već se uglavnom dobiva izvedena iz drugih mjerenja. 30

34 Moţemo zakljuĉiti kako mnogo parametara utjeĉe na izgled hidrograma te je potrebno prikupiti što više podataka i odabrati metodu pomoću koje bi najbolje mogli definirati hidrogram. 7. LITERATURA 1. Ranko Ţugaj (2000.), Hidrologija, Sveuĉilište u Zagrebu Rudarsko-geološko-naftni fakultet 2. Dionis Srebrenović (1986.), Primijenjena hidrologija, Izdavaĉka radna organizacija Tehniĉka knjiga, Zagreb, Jurišićeva 10 Podaci s interneta: Patrĉević Vladimir, Otjecanje, 18.kolovoz 2012., Patrĉević Vladimir, Otjecanje, 18.kolovoz 2012., Patrĉević Vladimir, Otjecanje, 22.kolovoz 2012., 31