127
GRAðEVINSKI FAKULTET OSIJEK INTERNA SKRIPTA IZ HIDROLOGIJE PRVI DIO Prof. dr. sc. Vladimir Patrčević Prof. dr. sc. Vladimir Patr č evi ć : Prof. dr. sc. Vladimir Patr č evi ć :

PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

GRAðEVINSKI FAKULTET OSIJEK INTERNA SKRIPTA IZ HIDROLOGIJE

PRVI DIO Prof. dr. sc. Vladimir Patr čević

Prof. dr. sc. Vladimir Patrčević:Prof. dr. sc. Vladimir Patrčević:

Page 2: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

2

• Želimo li neku prirodnu pojavu upoznati i proučiti, moramo tu pojavu promatrati i obaviti odreñena mjerenja.

• U tome cilju služimo se POKUSOM koji je osnova svake objektivne fizikalne spoznaje.

• Pokusom odreñujemo razne PARAMETRE o kojima ovisi promatrana prirodna pojava.

• Parametre, pomoću kojih opisujemo neki FIZIKALNI PROCES nazivamo FIZIKALNIM VELIČINAMA.

• Broj fizikalnih velièina, kojima opisujemo neki fizikalni proces, može biti veoma veliki.

• Razlikujemo: OSNOVNE fizikalne veličine i IZVEDENE fizikalne veličine.

Page 3: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

3

• Vrijednosti osnovnih fizikalnih veličina dobijaju se neposrednim fizikalnim mjerenjima posebnim fizikalnim postupcima.

• Na primjeru mjerenja DULJINE. Što je duljina? Za odreñivanje duljine X moramo najprije odabrati JEDINICU za mjerenje odnosno mjernu jedinicu /x/.

• Postupak mjerenja duljine se tada sastoji u tome da se odredi koliko se puta (n) odabrana mjera /x/ ponavlja u promatranom predmetu mjerenja X.

• X = (n) puta /x/• Gdje su: • X - predmet mjerenja (duljina)• (n) - skalar - broj ponavljanja• /x/ - mjerna jedinica (m, cm, km)

• Vrijednosti izvedenih fizikalnih veličina dobijaju se definicijskim jednadžbama koje povezuju osnovne fizikalne veličine. Vrijednosti se izvedenih fizikalnih veličina dobivaju dakle pomoću mjerenja osnovnih veličina.

• Na primjeru mjerenja POVRŠINE pravokutnika.• Potrebno je najprije odrediti duljine pojedinih stranica (osnovne

fizikalne veličine),• a zatim površinu odrediti definicijskom jednadžbom P=a b.• Broj osnovnih fizikalnih veličina zavisi o širini oblasti koja se

proučava. • Što je oblast šira to je i njihov broj veći. U geometriji (površina,

volumen, kut) je dovoljna samo jedna osnovna veličina - duljina.• U kinematici je potrebno uvesti i drugu osnovnu veličinu - VRIJEME.• U dinamici je potrebno uvesti treću veličinu - MASU. i.t.d.• Skup mjernih jedinica, osnovnih i izvedenih fizikalnih veličina čini

MJERNI SUSTAV.

Page 4: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

4

• U pojedinim su se područjima FIZIKE i TEHNIKE upotrebljavali, a i danas se još upotrebljavaju različiti mjerni sustavi.

• - Metarski gravitacijski sustav• - Metarski apsolutni sustav• - Angloamerički apsolutni sustav• - Angloamerički gravitacijski sustav• Razlika izmeñu metarskog i angloameričkog sustava je u različitosti

mjernih jedinica za duljinu (metar i yard), odnosno različitih standarda.

• Razlika izmeñu apsolutnog i gravitacijskog sustava je u definiciji pojmova MASE i SILE.

• U apsolutnim se sustavima MASA (m) uzima kao osnovna fizikalna veličina. U tome je slučaju SILA (N) izvedena fizikalna veličina(N=mg).

• Za gravitacijske sustave SILA (N) je osnovna osnovna fizikalna veličina. U tome je slučaju MASA (m) izvedena fizikalna veličina(m=N/g).

Meñunarodni sustav mjernih jedinica(SI mjerni sustav)

• Radi toga je na 14. generalnoj konferenciji za mjere i utege 1971. godine donešena odluka o jedinstvenom SI mjernom sustavu (System International) kao obvezatnim za sve zemlje potpisnice konvencije.

Page 5: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

5

FIZIKALNA VELIČINA OSNOVNA (SI) JEDINICA

naziv oznaka naziv oznaka

duljina l metar m

masa m kilogram kg

vrijeme t sekunda s

električna struja l ampere A

termodinamička temp. T kelvin K

količina tvari n mol mol

intenzitet in candela cd

OSNOVNE FIZIKALNE VELIČINE

IZVEDENE FIZIKALNE VELIČINE

FIZIKALNA Naziv jedinice Oznaka Definicija

VELIČINA etimološki fonetski jedinice

sila newton njutn N kgm/s2

tlak pascal paskal Pa N/m2

energija

rad joule džul J Nm

toplina

snaga watt vat W J/s

frekvencija hertz herc Hz s-1

Page 6: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

6

• Prihvaćanjem osnovnih fizikalnih veličina nije odreñen i mjerni sustavnego je potrebno izabrati i izvedene fizikalne veličine.

• Kako je broj tih veličina veoma velik, ograničiti ćemo se na prikaz samo onih fizikalnih veličina koje se češće pojavljuju u praksi osobito u oblasti HIDROTEHNIKE.

• -POVRŠINA-A = l2 (m2) 1 m2 je ploha kvadrata kojoj je stranica l duga 1 m

• - VOLUMEN -V= l3 (m3) 1 m3 je volumen kocke kojoj je brid l dug 1 m

• - FREKVENCIJA- f (učestalost) 1 Hz= 1/s (herc je frekvencija periodične pojave kojoj perioda traje 1 sekundu.

• -BRZINA - v = l/t (m/s) 1 m/s jednak je brzini tijela koje uz jednoliko gibanje prelazi udaljenost od 1 metra u 1 sekundi.

• - UBRZANJE- a =v/t (m/s2) 1 m/s2 jednak je ubrzanju tijela kojemu se brzina za vrijeme 1 sekunde jednoliko mijenja za 1 metar u sekundi.

• - GUSTOĆA - ρ =m/V (kg/m3) 1 kg/m3 je gustoća homogenog tijela kojemu je masa 1 kilogram a volumen 1 kubični metar. Pokazuje raspodjelu mase u volumenu.

• - SILA -F =ma (N) 1 N je sila koja tijelo mase 1 kilogram ubrzava za 1 m/s2

Page 7: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

7

• - TEŽINA - G = mg (N) djelovanjem gravitacije na masu tijela dobivamo težinu toga tijela

• -SPECIFIČNA TEŽINA - γ =ρg (N/m3) je težina tijela kod iznosa volumena od 1 m3

• - TLAK - p = F/A (Pa) je tlak što ga proizvodi sila od 1 N na površinu od 1 m2

• -KINEMATI ČKA VISKOZNOST - ν=µ/ρ (m2/s) je viskoznost homogenog fluida kojemu je dinamièka viskoznost µ =1 pascalsekunda a gustoća 1 kg/m3

• - ENERGIJA, RAD- E = Fs (J) je jednaka radu što ga obavi sila F od 1 N na putu s od 1 m

• - SNAGA - P =Et (W) je snaga kojom se obavi rad od 1 J u 1 sekundi , odnosno obavljeni rad u jedinici vremena.

IZVEDENE FIZIKALNEVELIČINE

učestale u područjuHIDROTEHNIKE

FIZIKALNA VELIČINA

naziv oznaka Definicija jedinica

Duljina l m

Masa m kg

Vrijeme t s

Površina A l2 m2

Volumen V l3 m3

Frekvencija f 1/s Hz

Brzina v l/t m/s

Ubrzanje a v/t m/s2

Gustoća ρ m/V kg/m3

Sila F ma N

Težina G mg N

Specifična težina γ ρg N/m3

Tlak p F/A Pa

Kinematička viskoznost ν µ/ρ m2/s

Energija, rad E Fl J

Snaga P Et W

Page 8: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

8

MULTIPLE JEDINICE SUBMULTIPLE JEDINICE

Predmetak Oznaka vrijednost Predmetak Oznaka vrijednost

deka da 101 deci d 10-1

hekto h 102 centi c 10-2

kilo k 103 mili m 10-3

mega M 106 mikro µ 10-7

giga G 109 nano n 10-9

tera T 1012 piko p 10-12

peta P 1015 femto f 10-15

eksa E 1018 ato a 10-18

Definicija predmetaka za tvorbu decimalnih jedinica

1 UVOD

- Definicija hidrologije

- Povijest hidrologije

- Predmet i područje izučavanja

- Podjela hidrologije

- Zadaci hidrologije

Page 9: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

9

Definicija hidrologije

Znanost o vodi (fizika hidrosfere)

- ATMOSFERA

(vodena para, oborine)

- ZEMLJA - hidrosfera

(more, vodotoci, jezera, močvare, glečeri)

- PODZEMLJE - litosfera

(vlažnost zemljišta, infiltracija, podzemna voda)

Povijest hidrologije

- Početak hidrologije - (cca 1000 P.K.) Homer, Platon, Aristotel

- Početak mjerenja u hidrologiji - period Renesansa

Leonardo da Vinci (1452-1519)

- Mjerenje oborina, protoke - 17. St. Edme Mariotte (1686)

- Natapni sistema (Mesopotamija, Egipat, Kina)

- Odvodni sistemi (Indija)

- Vodoopskrbni sistemi (Rimski vodovod, Arabija)

- Podučje Geofizike (do 1922)

-Konferencija meñunarodne Unije za Geofiziku i Geodeziju (Rim 1922)

Osnovano meñunarodno udruženje za Hidrologiju (IASH)

Page 10: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

10

Predmet izučavanja

PROCESI gibanja vode u prirodi

- atmosfera - zemlja

- zemlja - podzemlje

- podzemlje - zemlja

- zemlja - atmosfera

Page 11: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

11

Podjela hidrologije

- (gibanje vode u atmosferi)

- HIDROMETEOROLOGIJA

- (gibanje vode po površini zemlje)

- HIDROLOGIJA RIJEKA

- HIDROLOGIJA JEZERA

- HIDROLOGIJA MORA

- GLACIOLOGIJA

- (gibanje vode ispod površine zemlje)

- HIDROLOGIJA PODZEMNIH VODA

- (mjerenje)

- HIDROMETRIJA

Zadaci hidrologije

Temeljem dostupnih hidroloških metoda

(opažanja, mjerenja, hidrološki proračuni)

definirati vodni režim prostora kao glavne podloge za mnogobrojne vodoprivredne potrebe a posebno prilikom:

- Korištenja vodnih resursa

- Upravljanje i gospodarenje vodama

- Zaštita voda kao prirodnog resursa

- Zaštite od štetnog djelovanja voda

Page 12: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

12

2 HIDROLOŠKI CIKLUS

Hidrološki ciklus je proces obnavljanja i kruženja vode na ZEMLJI

Zemlja je ZATVORENI hidrološki sustav (Atmosfera, Litosfera)

Osnovni procesi kruženja vode u zemljinom hidrološkom sustavu:

- OBORINE (P)

- ISPARIVANJE (E)

- OTJECANJE (O)

pri tome vrijedi relacija:

P=E+O

HIDROLOŠKI CIKLUS

Page 13: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

13

HIDROLOŠKI CIKLUS

HIDROLOŠKI CIKLUS (godišnja vodna bilanca svijeta)

Page 14: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

14

HIDROLOŠKI CIKLUS (godišnja vodna bilanca svijeta)

Približna svjetska godišnja vodna bilanca

PODRUČJE Površina Količina vode (km3 x 103) Količina vode (mm)

oborina i isparivanja Zemlje Oborine Isparivanje Otjecanje Oborine Isparivanje Otjecanje(km2 x 106) P E O P E O

MORA I OCEANI 366 324 361 -37 885 986 -101

KOPNO SA OTJECANJEM 114 90 53 37 789 465 324

KOPNO BEZ OTJECANJA 30 9 9 0 300 300 0

UKUPNO 510 423 423 0 829 829 0

Godišnje isparivanje 423 000 km3

Atmosfera sadrži 13 000 km3

Koeficijent izmjene vode 32

HIDROLOŠKI CIKLUS (godišnja vodna bilanca svijeta)

Page 15: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

15

3 VODNA BILANCAVodna bilanca je rezultat analize hidroloških procesa kao dijelova hidrološkog ciklusa, na odreñenom prostoru, u odreñenom vremenu

Osnovni hidrološki procesi u vodnoj bilanci:

- OBORINE (ulazna veličina) U(t)

- ISPARIVANJE i OTJECANJE (izlazna veličina) I (t)

pri tome vrijedi relacija:

U - I = ± ∆W

odnosno ako ∆W → 0

P = O1+O2+E

Vodna bilanca

Page 16: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

16

VERTIKALNA VODNA BILANCA

Page 17: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

17

VODNA BILANCA

VERTIKALNA VODNA BILANCA

Page 18: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

18

Page 19: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

19

Page 20: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

20

Page 21: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

21

Page 22: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

22

ATMOSFERA

• Definicija

• Podjela i osobine• troposfera (do 10 km)

• stratosfera (do 50 km)

• mezosfera (do 80 km) - ionosfera

• Termosfera (do 500 km)

• EGZOSFERA

ATMOSFERA

Page 23: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

23

ATMOSFERA

ATMOSFERA

Page 24: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

24

Osnovni pojmovi

• VRIJEME I KLIMA

• sunčevo zračenje i zemljino izračivanje

• pritisak zraka (ciklona i anticiklona)

• temperatura zraka

• zračni frontovi

• vlažnost zraka

• vjetar

Page 25: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

25

Sunčevo zračenje

• Kratkovalno zračenje (0,3 - 3 µ)– direktno sunčevo zračenje (S)

– difuzno (nebesko) zračenje (D)

– reflektirano zračenje (R)

• Dugovalno zračenje (3 - 50 µ)– Zračenje atmosfere prema Zemlji (A)

– Izračivanje Zemlje (E)

– Reflektirano zračenje (r)

Sunčevo zračenjeToplotna bilanca kratkovalnog zračenja

Qkv = (S+D) - R Qkv = G - R R = a G

Qkv = G - a G = G (1- a)

Page 26: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

26

Sunčevo zračenje• Toplotna bilanca dugovalnog zračenja

Qdv = A - E - rA

• Ukupna toplotna bilanca Qu = Qkv + Qdv

za atmosferu ( - 19%)

za Zemlju (+ 19%)

TOPLOTNA BILANCA

2930 J

Page 27: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

27

Energija - 1 grcal = 4,186 J Snaga - 1 grcal/s = 4,186 W

TOPLOTNA BILANCA

Prijelaz LATENTNE topline u atmosferu

Page 28: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

28

Dnevne vrijednosti kratkovalne radijacije tokom godine (na zemljinoj površini)

INSTRUMENTI ZA MJERENJE KOMPONENTI KRATKOVALNE RADIJACIJE

Page 29: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

29

INSTRUMENTI ZA MJERENJE KOMPONENTI KRATKOVALNE RADIJACIJE

INSTRUMENTI ZA MJERENJE KOMPONENTI KRATKOVALNE I DUGOVALNE RADIJACIJE

Page 30: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

30

(1) Sijanje sunca (sati/mjesec)

(2) Sijanje sunca (sati/dan)

(1) (2)

Tlak zraka• Definicija

• Jedinice za izražavanje tlaka zraka– (Pa) paskal, (hPa) hektoPaskal (hPa) = 102 (Pa)

– (mb) milibar, (b) bar (b) = 103 mb

• 1 (mb) = 100 (Pa) odnosno 1 (mb) = 1 (hPa)

– napuštena jedinica (mmHg) 1 (mmHg) = 1,333 (mb)

• Instrumenti za mjerenje tlaka zraka– živini barometri

– aneroidi

– barografi

• Normalni zračni pritisak

• Pojam ciklona

• Pojam anticiklona

Page 31: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

31

Tlak zraka

Instrumenti za mjerenje tlaka zraka

Page 32: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

32

Instrumenti za mjerenje tlaka zraka

Pojam CIKLONE

- Manja gustoća zraka - niži barometarski pritisak

Page 33: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

33

Pojam CIKLONE

Postanak i razvoj CIKLONE

Page 34: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

34

Postanak i razvoj CIKLONE

Postanak i razvoj CIKLONE

Page 35: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

35

Pojam ANTICIKLONE

- Veća gustoća zraka - visoki barometarski pritisak

Modelski prikaz CIKLONE I ANTICIKLONE

Page 36: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

36

Generalna cirkulacija zračnih masa

Temperatura zraka• Definicija

• Jedinice za izražavanje temperature zraka• ( 0C ) Andres CELSIUS (švedski fizičar i astronom 1701-1744)

• Nula je ledište vode kod tlaka zraka od 1013 hPa (Primjena veći dio svijeta)

• ( 0K ) Wiliam KELVIN (engleski fizičar 1824-1907)• Apsolutna nula (-273,16 0C) dekadna podjela (Primjena u astronomiji)

• ( 0F ) Gabriel FAHRENHEIT (njemački fizi čar 1686-1736)• Temperatura ledišta vode kod 32 0F, a vrelišta vode kod 212 0F (SAD-Engleska)

• Instrumenti za mjerenje temperature zraka– obični živini termometri

– maksimalni živin i minimalni alkoholni termometar

– psihrometar

– termograf

• Prikaz temperatura zraka– srednje dnevne, mjesečne, godišnje

tsred = 0,25(t7 + t14 + 2t21)

tC= 5/9 (tF - 32)

Page 37: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

37

Meteorološki zaklon sa instrumentima

Instrumenti za mjerenje temperature zraka

Minimalni i maksimalni termometar

Obični Augustov psihrometar

Obični živin termometar

Page 38: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

38

Instrumenti za mjerenje temperature zraka

Assmanov psihrometar sa ventilatorom

Termograf sa higrografom

Instrumenti za mjerenje temperature zraka

Digitalni termometar i higrometar Digitalni prenosivi termometar

Page 39: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

39

Analogni zapis sa termografa (termografska traka)

Page 40: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

40

Zračni frontovi

• Definicija

• Vrste i tipovi zračnih frontova

– Stacionarni front

– Topli front

– Hladni front

– Front okluzije

Stacionarni zračni front

Page 41: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

41

Topli zračni front

Hladni zračni front

Page 42: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

42

Zračni front okluzije

Vlažnost zraka

• Definicija

• Oblici za izražavanje vlažnosti zraka apsolutna vlažnost zraka (A) (g/m3)

tlak vodene pare (e) (Pa) | e | = | A |

relativna vlažnost zraka (R) (%) R = e/emax

specifična vlažnost zraka (S) (g/kg)

deficit vlažnosti zraka (d) d = emax - e

točka rose ili rosište (t) (0C) e = emax

• Instrumenti za mjerenje vlažnosti zraka– psihrometar

– higrometar

– higrograf

Page 43: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

43

Tlak vodene pare

e = emax - c ∆ t Assmanov psihrometar sa ventilatorom

Obični Augustov psihrometar

Instrumenti za mjerenje vlažnosti zraka

Skica higrografahigrometar

Page 44: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

44

Vjetar

• Definicija

• Uzroci pojave i nastanak vjetra

• Osmatranje vjetra - boforova ljestvica (0 - 12)

• Prikaz i interpretacija vjetra (mjesec, sezona, godina)

• Instrumenti za mjerenje osobina vjetra– anemometar

– anemograf

Uzroci pojave vjetra

Page 45: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

45

Uzroci pojave vjetra

Uzroci pojave vjetra

Page 46: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

46

Uzroci pojave vjetra

Uzroci pojave vjetraPressure Distribution (July)

Pressure Distribution (January)

Page 47: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

47

Uzroci pojave vjetra

(1)

(2)

(3)

Uzroci pojave vjetra

Page 48: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

48

Osmatranje vjetra

Boforova ljestvica

Interpretacija vjetra

0

2

4

6

8

10

12

14

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSESSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

smjer vjetra brzina vjetra

Godišnja ruža vjetra(Gradište kod Županje 1986-1995)

Page 49: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

49

Analogni zapis (traka Fusovog anemografa)

Fusov anemograf (analogni tip)

Instrumenti za mjerenje osobina vjetra

Page 50: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

50

Instrumenti za mjerenje osobina vjetra

Digitalno mjerenje brzine vjetra Digitalno mjerenje smjera vjetra

Instrumenti za mjerenje osobina vjetra

Digitalno mjerenje smjera i brzine vjetra Digitalno mjerenje smjera i brzine vjetra

Ultrazvučni mjerač (doppler) Mehanički mjerač (elektronski)

Page 51: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

51

OBORINE• Definicija

• Podjela - horizontalne oborine (rosa, mraz, inje, poledica

- vertikalne oborine (kiša, ledena kiša, snijeg, tuča)

• Uvjeti za stvaranje oborina

1. postojanje atmosferske vlažnosti

2. Kondenzacija vodene pare hlañenje zračnih masa (dinamičko, kontaktno, radijacijsko )

3. Prisustvo kondenzacijskih jezgri čestice oceanske soli, čestice izgaranja

Page 52: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

52

OBORINE

• Procesi koji uvjetuju stvaranje oborina– proces kristalizacije leda

– proces srastanja

Page 53: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

53

OBORINE

Klasifikacija oborina prema uvjetima kretanja zračnih masa

– KONVEKTIVNE

– OROGRAFSKE

– CIKLONALNE

Page 54: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

54

Konvektivne oborine

Orografske oborine

Page 55: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

55

Ciklonalne oborine

Ledena kiša, snijeg, tuča

Ledena kiša Snijeg Tuča

Page 56: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

56

OBORINE

• Instrumenti za mjerenje oborina

• mjerenje horizontalnih oborina

• običan kišomjer tipa Helman

• totalizator

• ombrograf (pluviograf)– mehanički (analogni zapis)

– elektronski (digitalni zapis)

Mjerenje oborina

Uzemljeni kišomjer

Mjerenje horizontalnih oborina

Oborine od MAGLE

Oborine od ROSE

Mjerenje vertikalnih oborina

Page 57: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

57

Mjerenje oborina

običan kišomjer (Hellman)

Mjerenje oborina

kišomjer OMBROGRAF (pluviograf) - mehanički

Page 58: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

58

Mjerenje oborina

Ombrografska traka (intenziteti oborina)

Mjerenje oborina

kišomjer OMBROGRAF (pluviograf) - digitalni

Page 59: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

59

Mjerenje oborina

Mjerenje oborina

Mjerenje gustoće snijega

ρ = m/V

Page 60: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

60

Interpretacija oborina

• Kratkotrajne oborine

• dnevne oborine P24 = P7+P14+P21

• mjesečne oborine Pmj = ΣP24 (1…31)

• godišnje oborine Pgod = ΣP24 (1…365)

Analiza oborina

• Promjenljivost u prostoru i vremenu f (A,T,P) = 0

• Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru P = f1 (A) (T= const)– više kišomjernih stanica

• metoda aritmetičke sredine

• metoda Thiessena (poligonalna metoda ili metoda trokuta)

• metoda izohijeta

– jedna kišomjerna stanica

• krivulja redukcije kiša

• Analiza 2 - raspodjela oborina u vremenu P = f2 (T) (A= const)– anvelopa maksimalnih oborina

Page 61: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

61

Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru (metoda aritmetičke sredine)

P sred =ΣPn

n

A7

A6

A5

A4

A3

A2

Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru (metoda Thiessena)

P sred= Σ (Pn An)

A

Σ (An) = A

A8

Page 62: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

62

Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru (metoda izohijeta)

A5

A4

A3

A2

A1

Σ (An) = A

P sred= Σ (PsredAn)

A

Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru (krivulja redukcije kiša)

Jednodnevna jaka kiša (P24)

Page 63: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

63

Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru (krivulja redukcije kiša)

Analiza 1 - raspodjela oborina u prostoru (krivulja redukcije kiša)

Page 64: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

64

Analiza 2 - raspodjela oborina u vremenu

Anvelopa maksimalnih oborina

Kratkotrajne oborine

Page 65: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

65

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,21,31,41,51,61,71,81,92,02,12,22,32,42,52,62,72,82,93,0

inte

nzite

t obo

rine

(mm

/min

)

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60trajanje oborine (minuta)

1 god 2 god 3 god 5 god 10 god 20 god 100 god 50 god

ITP krivulje (mm/min) OSIJEK (1959 - 1991)

LOG-PEARSON III

Page 66: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

66

ISPARIVANJE• Definicija

– evaporacija (E0), evapotranspiracija stvarna (ETa) i potencijalna (ETp)

• 0 < ETa < Etp < E0

• Metode • - metoda vodne bilance• - metoda toplotne bilance (bilanca energije)• - metoda prijenosa masa (transfer masa)

• - kombinacija metoda toplotne bilance i transporta masa

• Mjerenje isparivanja– evapometri (Piche, Vild)– isparitelji (class A)– bazeni (mali, veliki)– poljske parcele i lizimetri

Page 67: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

67

Isparivanje

Metoda vodne bilance

Metoda se zasniva na primjeni zakona održanja mase u poznatom zatvorenomhidrološkom sustavu i Reynolds-ove postavke fluksa (tečenja) konzervativne mase krozpoznatu kontroliranu površinu.Obzirom da u prikazanom zatvorenom hidrološkom sustavu nema mogućnostiprotjecanja mase vode kroz kontrolnu površinu (flux mase vode ρv=0) može se postavitizakon održanja mase u obliku:

dm/dt= - mEodnosno:

–mE= dV/dt

prema slici može se promjena volumena u sustavu uslijed isparivanja napisati kao

dV/dt =A(-dh/dt)odnosno:

mE=ρA(-dh/dt)=ρAE

Kako je promjena stanja hidrološkog sustava, odnosno sniženje nivoa vode (-dh/dt) samouslijed EVAPORACIJE to slijedi da je dovoljno mjeriti promjenu razine vode u sustavupoznatog volumena da se odredi veličina isparivanja.

Page 68: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

68

Metoda vodne bilancedm/dt = - mE = ρ dV/dt mE = ρA(-dh/dt)= ρAE

E = ρVE

ρA

E = mE

ρA

E = h

m = ρV

Metoda toplotne bilance (bilanca energije)

Metoda se zasniva na primjeni zakona održanja energije kojim je moguće ukupnuenergiju sadržanu u kontrolnom volumenu zatvorenog hidrološkog sustava, analiziratiputem izmjene energije kroz kontrolnu površinu. Količina energije sadržana u sustavusastoji se od:

- unutarnje (specifične) energije- kinetičke energije mase vode- potencijalne energije

Energetsko stanje zatvorenog sustava opisano je dakle promjenom ukupne energije uhidrološkom sustavu. U termodinamici je usvojeno da se rad računa pozitivno kada gasustav prima, odnosno negativno kada ga sustav predaje okolini.Ako postoji promjena tog stanja ona ukazuje na pojavu kondenzacije ili isparivanja.

Specifična energija sastoji se od senzorske (osjetilne ili specifične) topline i latentnetopline isparivanja. Promjenu te topline u sustavu možemo prikazati toplinskom bilancom(prema Penmanu):

Ru-Ri=dQ/dt

Poznavajući masu vode utrošenu na isparivanje (mE) kao i količinu potrošene topline(TL)Možemo odrediti utrošenu energiju iz sustava:

RL= mE TL

Odnosno veličinu isparivanja (E) prema slijedećoj slici:

Page 69: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

69

Metoda toplotne bilanceRU - RI = dQ/dt

za zatvoreni sistemdQ/dt =0 odnosnoRU - RD= RL kod RL = mE TL

RU - RD= mE TL = ρE TL E =RU - RD

ρTL

RU - RD- RL = dQ/dtRI = RD+RL

Metoda transporta masa (aerodinamička metoda)

Metoda se zasniva na proporcionalnosti ISPARIVANJA sa molekularnom odnosnoturbulentnom difuzijom.

Veličina evaporacije je odreñena razlikom apsolutne vlažnosti zraka u graničnom slojupovršine vode, gdje je u pravilu prisutan tlak saturirane vodene pare i apsolutne vlažnostizraka neposredno iznad vodne površine.

Unutar datih uvjeta evaporacija je proporcionalna deficitu vlažnosti u vertikalnom slojuzraka iznad površine vode. To je saznanje prvi postavio Dalton (1802) izrazom:

E=c(e0-ea)

Page 70: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

70

Metoda transfera masa

DALTON-ov pristup (1802)

Koeficijent proporcionalnosti C=11,25 (1-0,225 w2)

- Fitzgerald (1886)- Meyer (1915)- Horton (1917)

E = C (emax- e)

MJERENJE ISPARIVANJA

PICHE-ov isparitelj

Page 71: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

71

MJERENJE ISPARIVANJA

VILD-ov ispariteljEVAPOGRAF

MJERENJE ISPARIVANJA

Isparitelj klase A

A = 1,13 m2 h = 0,25 m

Komora sa mikrometrom

Automatski mjerač nivoa

Page 72: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

72

MJERENJE ISPARIVANJA

Isparitelj klase A

A = 1,13 m2 h = 0,25 m

MJERENJE ISPARIVANJA

Isparitelj klase A

Logger MDS-3

Temperaturni sensor

Potenciometar

Plovak

Protuteg

Mjerenje vjetra

Page 73: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

73

MJERENJE ISPARIVANJA

Isparitelj klase A

Logger MDS-3

Temperaturni sensor Ultrazvučni sensorMjerenje vjetra

Infiltrometar - lizimetar (VARKOM Varaždin)

Page 74: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

74

MJERENJE ISPARIVANJA

Infiltrometar - lizimetar (VARKOM Varaždin)

Page 75: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

75

Infiltrometar - lizimetar (VARKOM Varaždin)

Page 76: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

76

Vu=Qu T

Qu

Qi

Vi=Qi T

Vp=P A

E

A

P dV/dt=Vu-Vi= V∆

∆V= (mE A )3

E= V/A (mm)∆

MJERENJE ISPARIVANJA(poljska parcela)

PRORAČUN ISPARIVANJA

• DALTON-ov pristup (1802) E0 = C (emax- e)

• DALTON-MAYER

• THORNTWAITE (1948)

• BLANEY - CRIDDLE (1950)

• TURC - WUNDUT (1960)

• PENNMAN (1948)

Page 77: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

77

PRORAČUN ISPARIVANJA

E0 = k(emax-e) f(w2)

E0 = 11,25(1 - R)emax f(w2)

R = e/emax

f(w2) = 1 - 0,225 w2

DALTON-MAYER (mm/mj)

PRORAČUN ISPARIVANJA

Etp* = 16 (10 t/J)a

a = (675 × 10-9)J3-(771 × 10-7)J2+(178 × 10-4)J+0,492

THORNTWAITE (mm/mj)

J = 3 j1

12

j = (t/5)1,514

a =0,016J+0,5 (SERRA)

E0=Etp= Etp* ×D × T

30 × 12

D (broj dana) T (broj sati)

Page 78: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

78

PRORAČUN ISPARIVANJA

1 Prikaz srednjih mjesečnih temperatura zraka t (0C)

2 Odrediti mjesečni postotak dnevne svjetlostiod ukupnog godišnjeg zbroja p (%)

3 Odrediti mjesečni faktor potrebe potrošnje vodef = t x p (f)

4 Odrediti mjesečni empirijski faktor potrebe potrošnje vodek = kt x kc (k)kt = 0,0173 t - 0,314 t (0F)kc = koecicijenat ovisan o fazi razvoja

5 Odrediti mjesečnu POTREBU POTROŠNJE vodeu = f x k (u)

6 Odrediti potrošnju vode za ukupno vegetacijsko razdobljeU = sum ( f x k) (mm/mjesec)

Metoda BLANEY - CRIDDLE (mm/mj)

PRORAČUN ISPARIVANJAMetoda BLANEY - CRIDDLE (mm/mj)

Page 79: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

79

PRORAČUN ISPARIVANJA

Metoda PENNMAN (mm/dan)

∆H+γE0E =∆+γ

Etp=f E (mm/dan)f = faktor redukcije (0,6 – 0,8)

γγ

+∆Ε+∆= 0H

E

γ = psihrometrijska konstanta (0,49)H = raspoloživa toplotna energija u masi vode za evaporaciju

H = Rc-Rb(direktna sunčeva radijacija – reflektirana radijacija od Zemlje)

+−= )()1(D

nbarRR aC 10)( −=

D

n

Relativno osunčanje

Ra = količina toplinske energije na vanjskom rubu atmosfere (Angot)r = albedo a, b = konstante (a = 0,18 b = 0,55)

(

+−= )(9,01,0)09,056,04

D

neTR ab σ

E0 = 0,35 (emax – e) (0,5 + 0,54 w2)

∆ = tg α = a/b

Page 80: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

80

SLIVNA POVRŠINA (SLIV)

Page 81: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

81

OTJECANJE

• Faktori koji utjeću na osobine otjecanja

• KLIMATOLOŠKI (oborine, isparivanje, itd)

• MORFOLOŠKI(veličina sliva, pad i oblik sliva, gustoća riječne mreže)

• GEOLOŠKI(sastav terena, vrste stijena itd)

• BIOLOŠKI (vrsta vegetacija i obraslost zemljišta)

• ANTROPOLOŠKI(umjetne akumulacije, te ostali zahvati u prirodi)

SLIV (veličina sliva)

• VODODIJELNICA (razvodnica)

– topografska (površinska)

– hidrološka (podzemna)

Page 82: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

82

SLIV (veličina sliva)

Page 83: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

83

SLIV hipsomertijska krivulja

i pad sliva

S= srednja nadmorska visina sliva ili medijana sliva

Izjednačeni pad sliva (%)

I = D ΣL

AX 100

SLIV (izjednačeni pad vodotoka)

Page 84: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

84

SLIV (oblik sliva)

Od oblika i pada sliva ovisi vrijeme KONCENTRACIJE sliva

KOEFICIJENT KONCENTRIRANOSTI (po Graveliusu)

K = 0,28 O

p A

K = 1 (kružni oblik)

K > 1 (izduženi oblik)

SLIV (gustoća riječne mreže)

APSOLUTNA GUSTOĆA Ga = ΣL

RELATIVNA GUSTOĆA Gr = ΣL/A

Page 85: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

85

OTJECANJE

• Hidrološki pojmovi koji definiraju otjecanje

• VODOSTAJ(razina vode)

• DUBINA VODE (geometrija oblika proticajnog profila)

• BRZINA VODE (hidrodinamička veličina)

• PROTOKA(hidrodinamička veličina)

VODOSTAJ

• Definicija vodostaja

• MJERENJE VODOSTAJA

• INTERPRETACIJA I OSNOVNA OBRADA– ekstremni vodostaji (VVV, NNV)

– srednji vodostaji (SV)

– nivogrami

Page 86: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

86

MJERENJE VODOSTAJA

MJERENJE VODOSTAJA

Page 87: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

87

MJERENJE VODOSTAJA

MJERENJE VODOSTAJAŘ140

364

Page 88: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

88

MJERENJE VODOSTAJA VODE(ultrazvučni mjerač)

H

∆p = p1 - p

h = p

ρg

h =p1 - ∆p

ρg

∆p

p1

h

MJERENJE VODOSTAJAPNEUMATSKA METODA

Page 89: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

89

MJERENJE VODOSTAJAPNEUMATSKA METODA

h

MJERENJE VODOSTAJA

B10

_02.

07.1

998_

MD

S-In

side

r_s

Page 90: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

90

MJERENJE VODOSTAJA

01m

10

MJERENJE VODOSTAJA

Page 91: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

91

Page 92: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

92

Page 93: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

93

07.02.2002 13:00:00 18.09.2002 11:00:0003 04 05 06 07 08 09

[Months]

0.000

10.000

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

[m]

Kop. Rit

NIVOGRAM (limnigraf KOPAČKI RIT)

DUBINA VODE

• Definicija dubine vode

• MJERENJE DUBINE VODE– metode i instrumenti

• INTERPRETACIJA I OSNOVNA OBRADA– poprečni profili

– uzdužni profili

– izobate

Page 94: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

94

DEFINICIJA DUBINE VODE

DEFINICIJA DUBINE VODE

X (m)

Y (m)

h (m)y

x

Page 95: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

95

MJERENJE DUBINE VODE

MJERENJE DUBINE VODE

Čelično uže sa utegom

h

a

l

a

h = l - a -∆

∆ = 1

cos"1( ) a

a < 1,0 m

Page 96: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

96

h = d + [(0,5 ct)2 - (a/2)2]0,5

METODA MJERENJA DUBINE

EHO-SONDEROM

c=1462 m/s na 14 0C

MJERENJE DUBINE VODE (ultrazvučni mjerač)

Page 97: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

97

MJERENJE DUBINE VODE(ultrazvučni mjerač)

MJERENJE DUBINE VODE(ultrazvučni mjerač)

Page 98: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

98

Piezoelektrična membrana

∆p = p1 - p

h = p

ρg

h =p1 - ∆p

ρg

∆p

p1

h

MJERENJE VODOSTAJAPNEUMATSKA METODA

Page 99: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

99

h (m)

h1

h2

y (m)

h3

h4

h5

h6 h7

y1y7

POPREČNI PROFIL VODOTOKA

x (m)

PP1 PP2 PP3 PP4

PP5

h2

H (m.n.m.)

h3

h3

h4

h1

I (%)

∆l

∆h

UZDUŽNI PROFIL VODOTOKA

Page 100: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

100

BRZINA VODE

• Definicija brzine vode– raspodjela brzina

– pulzacija brzina vode

• MJERENJE BRZINE VODE– metode i instrumenti

• INTERPRETACIJA I OSNOVNA OBRADA– srednje brzine

– maksimalne brzine

– izotahe

0

v (m/s)

t (s)

v (m/s)

0

v (m/s)

t (s)

v (m/s)

0

v (m/s)

t (s)

v (m/s)

Brzina u smjeru Y

Brzina u smjeru Z

Brzina u smjeru X

V sred = 0Y

V sred = 0Z

V sred > 0X

V X

PULZACIJA BRZINE VODEu mjernoj točki kod

TURBULENTNOG TEČENJAVODE U VODOTOKU

z

x

y

x

y

v (m/s)

Page 101: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

101

RASPODJELA BRZINE VODE U POPREČNOM PRESJEKU VODOTOKA

y (m)

h (m)

x (m)

v (m/s)

h3

h4

h5h2

h1 v2

v4

v1

v2

v3

v4

v5y

RASPODJELA BRZINE VODE I PULZACIJE BRZINApo dubini poprečnog presjeka vodotoka

F =Σ(vn - vsred )2

N

t (s)

v (m/s)

F

Page 102: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

102

RASPODJELA BRZINE VODE I PULZACIJE BRZINApo dubini poprečnog presjeka vodotoka

BRZINA VODE

• MJERNE METODE I INSTRUMENTI

– mjerenje brzine plivajućeg tijela (plovak)

– mjerenje brzine potopljene elise (mehanički postupak)

– mjerenje brzinske visine (hidraulički postupak)

– mjerenje induciranog napona (elektromagnetski postupak)

– mjerenje Dopplerovog efekta (ultrazvučni postupak)

Page 103: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

103

MJERENJE BRZINE VODE PLOVCIMA

L (m)

A CB

B

MJERENJE BRZINE VODEURONJENOM ELISOM

Hidrometrijsko krilo (1940. god.)

Page 104: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

104

MJERENJE BRZINE VODE mehanički postupak

n (o/min)

v (m/s)

n=N/tv

nn1

v0

n2

1 3

2

1

3

v=a +b n1 1

v=a +b n2 2

v=a +b n3 3

2

Page 105: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

105

Page 106: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

106

Page 107: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

107

h1

∆h = v /2g2

v

h2

MJERENJE BRZINE VODE hidraulički postupakmjerenje dinamičkog tlaka pomoću PITOT cijevi

V = nnnn(2 g ∆h)0,5

Za v >5,0 m/s

MJERENJE BRZINE VODEELEKTROMAGNETNIM

MJERAČEM

Page 108: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

108

Elektromagnetski mjerači brzine vode djeluju na principu Faradyjevog zakona elektromagnetske indukcije. Elektromagnetski senzori koriste se za mjerenje brzine i protokabilo koje vrste fluida. Posebno su pogodni za mjerenje u profilima gdje voda pronosi veće količine suspenzije, kao što suotpadne vode u kanalizacijskim sustavima. Princip rada takvih mjerača zasniva se na električnom vodiču (voda ili bilo koja električno vodljiva tekućina) koji protjeće vodotokom, te svojim gibanjem u magnetnom polju inducira električni napon. Magnetno polje proizvodi se zavojnicom u senzoru baterijskim napajanjem, dok se inducirani napon mjeri parom elektroda, smještenim takoñe u senzoru elektromagnetnog mjerača te prenosi do centralne memorijske jedinice. Digitalna tehnologija omogućuje memoriranje ili očitavanje promjene tog induciranog naponau realnom vremenu, a koji je proporcionalan brzinigibanja vode na mjernom mjestu.

MJERENJE BRZINE VODE(ultrazvučni mjerač - Doppler)

V(m/s)

transduktor

transduktor

Ultrasonic FlowmeterSystem (UFS)

Page 109: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

109

Prvi akustički ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) mjerači pojavili su se kao eksperimentalni sredinom 1970. godine u SAD-u za potrebe oceanografskih istraživanja. Od 1982. godine naglim razvojem digitalne tehnologije prilagoñuju se za komercijalnu upotrebu na svim prirodnim vodnim resursima, najviše za veće vodne prostore gdje se mjerenja obavljaju sa plovnih jedinica. Od 1992. godine prilagoñuju se upotrebi mjerenja protjecanja na vrlo velikim rijekama, ali i manjim vodotocima i kanalima, kao i za potrebe mjerenja količina industrijskih otpadnih voda te protoka u gradskim kanalizacijskim kolektorima. Europski proizvoñači (Njemačka) razvili su sličnu tehnologiju nazvanu UFSmjerači (Ultrasonic Flowmeter System) sa stacionarnim transduktorima (pretvornicima) u mjernom profilu vodotoka. Tim ureñajima električna energija se pretvara u ultrazvučnu i obrnuto.

MJERENJE protoke VODEu cijevnim kolektorima(ultrazvučni UFS mjerač)

Page 110: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

110

MJERENJE BRZINE VODE(ultrazvučni mjerač - Doppler)

Primjena UFSmjerača je uglavnom za mjerenja brzine vode i protoka na manjim i relativno čistim vodotocima do najviše 1000 m, te gravitacijskim ili tlačnim cijevima profila od 1 m i veći.Osnovna primjena ADCP kao pokretnih mjerača je izmjera brzinskog polja u poprečnom presjeku vodotoka i to sa jednim pokretnim ureñajem na osnovi ultrazvuka. Prikladni oscilator pretvarač (transduktor) kao izvor ultrazvuka, upućuje zvučni udarac kroz vodu (Ping), slično kao Sonar kod podmornica ali znatno veće frekvencije (veći od 30 kHz). Odaslani ultrazvuk reflektira se od lebdećh čestica suspenzije u vodi koje imaju isti smjer i brzinu kao masa vode. Dio energije koji se uslijed refleksije vraća na izvor (transduktor) moguće je izmjeriti piezoelektričnim transduktorom. Takav transduktor djeluje kao izvor i kao prijemnik ultrazvuka (pijezo-elektricitet je reverzibilan). Razlika emitirane i primljene energiji na transduktoru odreñuje se kao promjena frekvencije ultrazvuka, poznata pod nazivom Doplerov pomak(Doppler shift).

Page 111: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

111

Mjerenjem Doplerovog pomakamoguće je u svakoj prilici izračunati relativnu brzinu protjecanja vode kroz odabrani profil u odnosu na izvor ultrazvuka (transduktor). Doplerov efekt je poznat u teoriji akustike te razvojem digitalne tehnologije i primjenom mikroprocesora preveden u efikasan model mjerenja nivoa, brzine vode, a time i protoka. Najznačajnija prednost ultrazvučnih mjerača pred klasičnim mehaničkim mjeračima je u mnogostruko bržem postupku mjerenja, kontinuirano vremenski neprekinutom mjerenju i mogućnosti trodimenzionalne analize vektora brzina u mjernom profilu.Istim principom moguće je mjeriti i vlastitu brzinui smjer plovila u odnosu na dno kanala, rijeke, jezera ili izmjeriti brzinu vodei protokuvodotoka iz pokretnog plovila.

MJERENJE BRZINE VODEAcoustic Doppler Current Profiler (ADCP)

Vektorsko polje brzina vode mjeri se pokretno po prostorno dubinskim segmentima vodotoka, koji mogu biti manji od 10 cm Mjerenje je max do 128 dubinskih segmenata što bi za usporedbu mjerenja klasičnim, mehaničkim mjeračem, zahtijevalo 128 mjernih točaka hidrometrijskog krila samo na jednoj vertikali.

Page 112: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

112

3

2 14

4

32

1

vektor brzine vode

Komponenta brzine vode u smjeru ultrazvuka

2 1 3 4I. par transduktora smjer istok-zapad

II. par transduktora smjer sjever-jug

Stvarni vektor brzine vode

MJERENJE BRZINE VODE (ADCP mjerač)

MJERENJE BRZINE VODE (ADCP mjerač)

Page 113: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

113

PROTOKA VODE • Definicija protoke

• METODE za odreñivanje protoke– Neposredne metode (volumenske)– Posredene metode

• Metoda površina - brzina• Kemijska metoda• Hidraulička metoda

• INTERPRETACIJA I OSNOVNA OBRADA– Srednja protoka – Specifična protoka– Coriolisov koeficijenat

Page 114: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

114

X

Bhmax

vmax

h

Q m /s3

DEFINICIJA PROTOKE VODE

h (cm)

a (cm )2

Q (l/s)

Q = :::: n a (2gh)0,5

DANAIDA MILNEOVA POSUDA

Q = V/t

Page 115: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

115

METODA POVRŠINA - BRZINA

h (m)

x (m)

h3

h4

v (m/s)h5

h2

h1

y (m)

v3v4

v1

v2

v3

v4

v5

vn

hn

Grafička metodaQ = A vsr

A

h (m)

v3

v4

x (m)

v (m/s)

h3

h4

h4

h5h

v4

y (m)Vsr

Page 116: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

116

Qn= vn An Q = 3Qn

Grafo-analitička metoda

h (m)

v3v2

v1

v4

v5 y (m)

A1 A2

A3

A4

A5

A6

v3

v1

v2

v4v5

v6

vn=Av/hn

vn

hn

Av

vn= 0,5(vn-1+vn)

Analitička metoda

h (m)

h3 h4

y (m)

h1

h2 h5

q3q2

q1

q4

q5

b1 b2 b3 b4 b5 b6

Vn= 0,3 vp+ 0,5 v0,6+ 0,2 vd

qs3

qs1

qs2

qs4 qs5

qs6

qn=vn hn

qsn=0,5 (qn-1+qn)

Qn=qsn bn

Q=3Qn

Vn= 0,1(vp+ 3v0,2+ 3v0,6+ 2v0,8+ vd )

Page 117: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

117

h (m)

y (m)

A5

A4

A3

A2

A1

vmaxv1v=0 v2 v3 v4

v (m/s)

A (m )2

A1A50 A4 A3 A2

0

v1

vmax

v2

v3

v4

Metoda izotaha

Q =IIIIAdv

L (m)

A CB

B

v1

v2

v3

v4

v5

Qf = vsr A

Qf > Q

k = Q/QfQ = k Qf

H m( )

k =Q/Qf

k =f (H)

H i

k i

Brzina mjerena plovcima

Page 118: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

118

L (m)

A

B

B

C

L=0,01[c(0,7c+6)]B2/hsr (m)

Q=A/C (l/s)

C =Ic dt

Kemijska metodatrenutni postupak

L (m)

A

B

B

Q0 C

c mg l( / )

t (s)

t0 t n

csr

Kemijska metodapostupak doziranja

csr=1/n 3cn

Q = Q0 C/csr

Page 119: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

119

Q=2/3 K bpH (2gH)1/2

Q=2/15 K H (2gH)1/2 (5bp+H)

m=4 (Čipoleti)

Pravokutni oblik

Trapezni oblikOŠTROIVIČNI PRELJEV

Oblik trokuta

Q=8/15 K H2 (2gH)1/2

Nepotopljen PRELJEV SA ŠIROKIM PRAGOM

Q=mb(2gD)3/2

gdje je:

D=p1+H0

H0=H +v2/2g

Page 120: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

120

Nepotopljen PRELJEV SA ŠIROKIM PRAGOM

Q=mb(2gD)3/2

D=h+H0

H0=H +v2/2g

H

v /2g2

h

HD

v

h2 h3

b

m=b/B

h1

∆h

h2

h3

b1 v b3b2

VENTURI KANAL Q = : A2 (2g ∆h)0,5

:=0,9/[(1-A2/A1)4]0,5

Page 121: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

121

A2

Q1

Q3

Q2

A1

A3

q (l/s/km )2

A (km )2

A10 A3A2

q1

0

q3

q2

SPECIFIČNO OTJECANJE

q = Q/A (l/s/km2)

h (m)

A2

A3

A4

A5

A6

B (m)

A1

v3v2v1

v4

v5

v33

v13

v23

v4

3

v5 3

v63

" =3Anvn

3

A vA3

EK=k Q v2 = k (A v) v2 = kAv3

A=3An KORIOLISOV KOEFICIJENT

Page 122: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

122

h (m)

y (m)

A5

A4

A3

A2

A1

vmaxv1v=0 v2 v3 v4

(v/v ) sr3

A /Av

10

"

v (m/s)

A (m )2

A1A50 A4 A3 A2

vmax

v3

v4

0

v1

v2

vsr

Q

KORIOLISOV KOEFICIJENT

Q (m /s) 3

Hidrostatski registrator nivoa

transduktor

transduktor

MJERENJE PROTOKE VODE(ultrazvučni mjerač - USF)

Page 123: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

123

HIDROGRAM OSIJEK (mjerno mjest br. 5)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10. srpanj 2000 (15 minuta)

Pro

toka

(l/s

)

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 13:0011:00 12:00 14:00 15:00 16:00

vp

v

Smjer plovidbe brodaSmjer tečenja rijekeu mjernom segmentu

MJERENJE PROTOKE VODE(ultrazvučni mjerač - ACDP)

Page 124: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

124

PRIKAZ OBRADE PROTOKE VODE

na PC-u

Page 125: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

125

Neovisno od upotrebljene metode i mjerne opreme,mjerenje protokavode zahtjevanekoliko osnovnih hidroloških elemenata koje je potrebno odrediti:

1. mjerni profil vodotoka(odreñivanje poprečnog presjeka)2. dubinu vode u profilu(odreñivanje okvašenog opsega pop. presjeka)3. brzinu vodeu pojedinim točkama mjernog profila

Klasična metoda ADCP metoda

Mjerni profil

Graduirano čelično uže prekoprofila. Nepraktično za slučajplovnosti vodotokom.Netočnost kod širokihvodotoka.

Čamac prelazi slobodnom trasompreko vodotoka. Položaj preciznoodreñen kontinuiranim mjerenjembrzine i smjera čamca.

Dubina vode Uže sa utegom ili ehosonder.Kod većih brzina otklon užeta.

Prosjek od četiri posebna izmjeradubina transduktorom

Brzina vode

Mjerenje mehaničkimpropelerom na mjernom užetu.Smjer vektora brzine obično jenepoznat. Izmjera u 3 do 5točaka po dubini.

Veličina i smjer brzine mjeren u višeprostorno dubinskih segmenata.Mjerenje brzina i manjih od 1 cm/s

Vrijeme 1 do 2 sata za manje vodotoke,bez proračuna protoke

3 do 10 min za velike vodotoke sauključenim proračunom protoke.

Greška mjerenja +/- 5 % +/- 3 %

Prikazano je vrijeme izmjere iproračun protokaprovedenihADCP metodom za nekerijeke širom svijeta, različitih veličina, sa njihovim osnovnim hidrauličkim osobinama.

Rijeka Protoka(m3/s)

Dubina(m)

Širina(m)

Srednja brzina(m/s)

Vrijeme mjerenja(min)

Amazon (Brazil) 105 520 33 3 110 1.9 19

Mississippi (USA) 18 760 18 1 090 1.5 11

Rhone (Francuska) 3 330 11 300 1.5 5

Erft (Njemačka) 10 1 12 1,2 2

Page 126: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

126

y = f (x)

r = 1

Funkcijska zavisnost

Page 127: PRILOZI uz predavanja hidrologija 1. dio.pdf

127

0 < r < 1

Korelativna zavisnost

r = 0

Stohastička zavisnost