Prvky hydrologického cyklu

Srážky

Srážky jsou uvolnění vody z atmosféry, aby se dostala na povrch Země.srážky' zahrnuje všechny formy vody uvolňované atmosférou (sníh, kroupy, plískanice a déšť). Srážky jsou hlavním vstupem vody do povodí řeky. Vyžaduje pečlivé posouzení v hydrologických a hydrogeologických studiích.

Výskyt a typy srážek

Schopnost vzduchu zadržovat vodní páru je závislá na teplotě (Davie, 2008): čím je vzduch chladnější, tím méně vodní páry se zadržuje. Pokud se těleso teplého vlhkého vzduchu ochladí, nasytí se vodní párou a nakonec vodou. pára bude kondenzovat na kapalnou nebo pevnou vodu (tj. kapky vody nebo ledu). Voda nebude kondenzovat samovolně. V atmosféře musí být přítomny nepatrné částice, tzv. kondenzační jádra.Při kondenzačních jádrech se tvoří kapky vody nebo ledu.Kapky vody nebo ledu, které se tvoří na kondenzačních jádrech, jsou obvykle příliš malé na to, aby dopadaly na povrch jako srážky. Musí růst, aby měly dostatek hmoty k překonání vztlakových sil v mraku .

Existují tři podmínky které je třeba splnit před tvorbou srážek (Davie, 2008):

• Chlazení atmosféry
• Kondenzace páry na jádra
• Růst vodních nebo ledových kapiček

Existují tři hlavní typy srážky:

• Konvektivní srážky
• Orografické srážky
• Cyklonické srážky

Konvektivní srážky

Ohřátý vzduch u země se rozpíná a absorbuje více vodní vlhkosti. Teplý vlhkostí zatížený vzduch se v důsledku nižší teploty pohybuje nahoru a kondenzuje, a tím vytváří srážky. Tento typ srážek má podobu místních vířivých bouřek.

Orografické srážky

Mechanické zvedání vlhkého vzduchu hora bariér, způsobuje vydatné srážky na návětrné straně hory.

Cyklonické srážky

Nerovnoměrné zahřívání zemského povrchu sluncem má za následek oblasti vysokého a nízkého tlaku. Vzduchové hmoty se pohybují z oblastí vysokého tlaku do oblastí nízkého tlaku a tento pohyb produkuje srážky. Pokud teplý vzduch nahradí chladnější vzduch, fronta se nazývá teplá přední strana. Pokud studený vzduch vytlačí teplý vzduch, jeho fronta se nazývá a studená fronta.

Měření srážek

Srážky se obvykle vyjadřují jako vertikální hloubka kapalné vody. Srážky se měří pomocí milimetry (mm)spíše než podle objemu, jako jsou litry nebo metry krychlové.Měření srážek je hloubka vody které by se nahromadily na povrchu, kdyby všechen déšť zůstal tam, kde spadl. Sněžení může být také vyjádřeno jako hloubka kapalné vody.

Pro hydrologické účely je nejužitečněji popsán v ekvivalentní hloubka vody.

voda ekvivalentní hloubka je hloubka vody, která by byla přítomna, kdyby sníh roztál.

Pro hydrologický rozbor to je důležité;

• vědět, kolik srážek spadlo,
• a kdy k tomu došlo.

Srážky na různých místech v terénu jsou zaznamenávány pomocí dvou hlavních typů srážkoměrů:

• nezaznamenávající srážkoměry
• záznam srážkoměrů.

Nezaznamenávající srážkoměry

Neevidenční srážkoměr se skládá z trychtýře s kruhovým okrajem a skleněné láhve jako přijímače.

Válcový kovový plášť je upevněn svisle ke zděnému základu s vodorovným okrajem nad terénem.

Déšť padající do trychtýře je shromažďován v přijímači a je měřen ve speciálním odměrném skle se stupnicí v mm srážek. Měření srážek se obvykle provádí v 08.00:16.00 a v 24:XNUMX. Při silných deštích se musí měřit třikrát nebo čtyřikrát za den. Neevidující srážkoměr tedy udává pouze celkovou hloubku srážek za předchozích XNUMX hodin.

Záznam srážkoměrů

A typ záznamu srážkoměr má automatické mechanické uspořádání sestávající z:

• hodinový stroj,
• buben s milimetrovým papírem upevněným kolem něj
• a hrot tužky, který kreslí hmotnostní křivka srážek.

Tento typ měřidla se také nazývá vlastní nahrávání, automatický or integrující srážkoměr.

Z této křivky hmotnosti srážek;

• hloubka srážek v daném čase,
• rychlost nebo intenzita srážek v kterémkoli okamžiku během bouře,
• lze určit dobu nástupu a zastavení dešťových srážek.

Existují tři typy záznam srážkoměrů:

• Výklopný kbelík srážkoměr
• Srážkoměr typu vážení
• Srážkoměr plovákového typu

Výklopný kbelík srážkoměr

Sklápěcí korečkové srážkoměr se skládá z válcového pouzdra o průměru 30 cm s trychtýřem uvnitř.

Pod trychtýřem je pár vyklápěcích lopatek. Lopaty se otáčely tak, že když jedna z lopatek. Srážkoměr typu vyklápěcí vědro (podle Raghunatha, 2006). přijme srážky 0.25 mm, převrhne se a vypustí do nádrže pod ní, zatímco druhý kbelík zaujme svou polohu a proces se opakuje. Sklápění kbelíku působí na elektrický obvod, který způsobuje pohyb pera po grafu ovinutém kolem bubnu, který se otáčí hodinovým mechanismem.

Srážkoměr typu vážení

U typu vážení srážkoměru, když se určitá váha srážek shromáždí v nádrži, způsobí to, že se pero pohybuje po grafu omotaném kolem bubnu s hodinovým pohonem.

Otáčením bubnu se nastavuje časové měřítko, zatímco vertikální pohyb pera zaznamenává kumulativní srážky

Srážkoměr plovákového typu

U plovákového typu srážkoměru, když se déšť shromažďuje v plovákové komoře, plovák se pohybuje nahoru, což přiměje pero pohybovat se po mapě omotané kolem bubnu poháněného hodinami.

Když se plováková komora naplní, voda automaticky vytéká přes sifonovou trubici drženou ve vzájemně propojené sifonové komoře. The vážící a plovákové srážkoměry lze uložit střední padat sníh který může operátor zvážit nebo roztavit a zaznamenat ekvivalentní hloubku deště.Sníh se dá rozpustit v měřidle(jak se tam shromažďuje) namontovaným topným systémem nebo umístěním určitých chemikálií do měřidla (chlorid vápenatý, etylenglykol atd.).

Plošný průměr srážek

Bodové srážky: Jsou to srážky zaznamenané na jedné stanici.

Pro malé oblasti menší než 50 km2 lze bodové srážky brát jako průměrnou hloubku nad oblastí. Na velkých územích musí být instalována síť srážkoměrných stanic (meteorologických stanic). Protože srážky na velké ploše nejsou rovnoměrné, je třeba určit průměrnou hloubku srážek na dané oblasti.Plošné průměrné srážky jsou průměrné srážky na velkém území (povodí, rovině, regionu atd.) za určité časové období (rok, měsíc atd.).

Plošné průměrné srážky jsou určeny jedním z následujících tři metody:

• Metoda aritmetického průměru (průměru).
• Izohyetální metoda
• Thiessenova polygonová metoda

Průměrné množství srážek srážkoměrných stanic pro společné (stejné) časové období se při aplikaci těchto metod používají, protože délka období pozorování pro každou stanici může být odlišná.

Metoda aritmetického průměru (průměru).

Získává se jednoduchým aritmetickým průměrem množství srážek na jednotlivých srážkoměrných stanicích (meteorologických stanicích) v povodí.

Pave = ∑ Pi / n (2.1)

Pave = průměrná hloubka srážek nad oblastí

∑ Pi = součet úhrnů srážek na jednotlivých srážkoměrných stanicích

n = počet srážkoměrných stanic v oblasti

Tento metoda je rychlá a jednoduchá a dává dobré

odhady v rovinaté zemi (Raghunath, 2006):

• pokud jsou měřidla rovnoměrně rozmístěna,
• a pokud se srážky na různých stanicích příliš neliší od průměru.

Izohyetální metoda

V této metodě; srážky naměřené na měřicích místech (meteorologických stanicích) jsou zakresleny na vhodnou podkladovou mapu a jsou zakresleny čáry stejného srážení (isohyety) s ohledem na orografické efekty a morfologii bouřek.

Izohyetální mapa ukazuje čáry stejných srážek nakreslené stejným způsobem jako topografická vrstevnicová mapa. Izohyetální mapa má interval srážek mezi isohyety - 10 mm, 25 mm, 50 mm atd.

Průměrné srážky mezi po sobě jdoucími izohyetami (P1, P2, P3,…) jsou brány jako průměr dvou izohyetálních hodnot.

Tyto průměry jsou; váženo plochami mezi izohyetami (a1, a2, a3, …), sečtenými a děleno celkovou plochou povodí, což udává průměrnou hloubku srážek v celém povodí.

Pave = ∑ * (Pi +Pi+1)/2 ] ai / A (2.2) ai = plocha mezi těmito dvěma

postupné izohyety Pi a Pi+1

A = celková plocha povodí.

Thiessenova polygonová metoda

Tato metoda se pokouší umožnit nerovnoměrné rozdělení měřidel tím, že pro každé měřidlo poskytuje váhový faktor (Raghunath, 2006).

Stanice jsou zakresleny na podkladové mapě a jsou propojeny přímkami.

K přímkám jsou nakresleny kolmice, které spojují sousední stanice a vytvářejí polygony.

Předpokládá se, že každá oblast polygonu je ovlivněna srážkoměrnou stanicí uvnitř ní.

P1, P2, P3, …. jsou srážky na jednotlivých stanicích,

a a1, a2, a3, …. jsou oblasti polygonů obklopujících tyto stanice (oblasti vlivu).

Průměrná hloubka srážek pro povodí je dána

Pave = ∑ Pi ai / A (2.3) A = celková plocha povodí.

Získané výsledky jsou obvykle přesnější než výsledky získané jednoduchým aritmetickým průměrováním.

Měřidla (stanice) by měla být správně umístěna nad povodím, aby se získaly polygony pravidelného tvaru.

Odpařování a transpirace

Proces, při kterém se voda přenáší z povrchu Země (povrch země, volné vodní plochy, půdní voda atd.) do atmosféry, se nazývá vypařování. Během procesu odpařování se latentní teplo odpařování odebírá z povrchu odpařování. Proto je odpařování považováno za chladicí proces. Výpar z povrchu země, volná voda

povrchy, půdní voda atd. mají velký význam v hydrologických a metrologických studiích, protože ovlivňují (Usul, 2001):

• kapacita nádrží,
• vydatnost povodí,
• velikost čerpacích stanic,
• spotřeba vody rostlinami atd.

pocení definuje ztrátu vody z rostlin do atmosféry přes póry na povrchu jejich listů. V oblastech pokrytých vegetací je téměř nemožné rozlišit mezi výparem a transpirací. Proto jsou tyto dva procesy soustředěny dohromady a označovány jako evapotranspirace.

Vypařování

Rychlost odpařování a evapotranspirace se liší v závislosti na:

• meteorologické (atmosférické) faktory ovlivňující region,
• a na povaze odpařovacího povrchu.

Faktory ovlivňující rychlost odpařování (a také evapotranspirace) jsou:

1. Solární radiace
2. Relativní vlhkost
3. Teplota vzduchu
4. Vítr
5. Atmosférický tlak
6. Teplota kapalné vody
7. Salinita
8. Aerodynamické vlastnosti
9. Energetické charakteristiky

Měření odpařování

Nejběžnější metodou pro měření odpařování je použití an vypařování pánev.

Jedná se o velkou pánev s vodou s přístrojem na měření hloubky vody.

Toto zařízení umožňuje zaznamenat, kolik vody se ztrácí odpařováním za určité časové období.

Na standardní meteorologické stanici se denně měří výpar jako změna hloubky vody. Odpařovací miska je naplněna vodou, proto otevřené odpařování vody se měří. Standardní odpařovací pánev, nazývaná odpařovací pánev třídy A, má průměr 122 cm a hloubku 25.4 cm.

Empirické koeficienty (pan koeficient) se používají k odhadu výparu z větších vodních útvarů (jezero, přehradní nádrž atd.) pomocí měřeného pánvového výparu.

Hodnoty koeficientu pánve pro odpařovací pánev třídy A se pohybují mezi 0.60-0.80 a jako roční průměr se používá 0.70.

Metody odhadu odpařování

Obtíže při měření výparu pomocí meteorologických přístrojů vedly k velkému úsilí, které bylo vynaloženo na odhadování výparu.

Existují různé metody pro odhad odpařování:

1. Metoda vodního rozpočtu
2. Metoda energetického rozpočtu
3. Emperické rovnice (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith atd.)

Metoda vodního rozpočtu

Jednoduchý přístup k určení výparu zahrnuje udržování vodního rozpočtu.

Rovnice kontinuity lze zapsat v následujícím tvaru pro stanovení odpařování (E) za určité období:

E=(∆S+P+Qs) – (Qo+Qss)

∆S: Změna skladování, P: Srážky,

Qs: povrchový přítok, Qo: povrchový odtok,

Qss: Podpovrchový odtok (prosakování)

Metoda energetického rozpočtu

K určení výparu z jezera lze použít energetický rozpočet.

E=(Qn+Qv-Qo) / ρ.Le (1+R)

Qn: čisté záření absorbované vodním útvarem, Qv: advektivní energie přítoku a odtoku,

Qo: İzvýšení energie uložené ve vodním útvaru, ρ : Hustota vody,

Le: Latentní výparné teplo,

R: Poměr tepelných ztrát vedením k tepelným ztrátám odpařováním.

Emperické rovnice (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith atd.)

Emperické rovnice vycházejí z naměřených meteorologických proměnných (parametrů).

Srážky, sluneční záření, rychlost větru a relativní vlhkost hodnoty se používají při odhadu odpařování pomocí těchto rovnic.

Pomocí těchto rovnic je možné provést dobrý odhad výparu z jezer pro roční, měsíční nebo denní období.

pocení

pocení rostlinou vede k odpařování z listů malými otvory (průduchy) v listu.

Někdy se tomu říká odpařování suchých listů.

Pro měření transpirace jsou botaniky navrženy různé metody. Jednou z široce používaných metod je měření pomocí fytometr (Raghunath, 2006).

Fytometr sestává z uzavřené vodotěsné nádrže s dostatečným množstvím půdy pro růst rostlin s odkrytou pouze rostlinou.

Voda se uměle aplikuje až do úplného růstu rostlin.

Zařízení je na začátku zváženo (W1) a na konci experimentu (W2).

Voda aplikovaná během růstu (w) se měří a voda spotřebovaná transpirací (Wt) se získá jako

Wt = (W1 + w) - W2

Evapotranspirace

Evapotranspirace (Et) je celková voda ztracená z obdělávané (nebo zavlažované) půdy v důsledku odpařování z půdy a transpirace rostlinami.Potenciální evapotranspirace (Ept) je evapotranspirace z krátké zelené vegetace, kdy jsou kořeny zásobovány neomezeným množstvím vody pokrývající půdu. Obvykle se vyjadřuje jako hloubka (cm, mm) nad plochou.

Některé z nich jsou následující metody odhadu evapotranspirace (Raghunath, 2006):

• Nádrže a lysimetrické experimenty
• Polní pokusné parcely
• Evapotranspirační rovnice, jak je vyvinuli Lowry-Johnson, Penman, Thornthwaite, Blaney-Criddle atd.
• Metoda indexu odpařování.

Infiltrace

Voda vstupující do půdy na povrchu země se nazývá infiltrace. Doplňuje nedostatek půdní vlhkosti a přebytečná voda se pohybuje dolů gravitační silou. Tento proces se nazývá hluboký průsak or perkolace, doplňuje podzemní vodu a vytváří hladinu podzemní vody.

Maximální rychlost, kterou je půda v jakémkoli daném stavu schopna absorbovat vodu, se nazývá její infiltrační kapacita.

Infiltrace (f) často začíná vysokou rychlostí (20 až 25 cm/h) a klesá do poměrně ustáleného stavu (fc), jak déšť pokračuje, nazývaný konečný fp (=1.25 až 2.0 cm/h)

Míra infiltrace (f) kdykoliv t je dán Hortonovou rovnicí

(Raghunath, 2006): f = fc + (fo – fc) e–kt

fo = počáteční rychlost infiltrační kapacity

fc = konečná konstantní rychlost infiltrace při nasycení

k = konstanta primárně závislá na půdě a vegetaci e = základ Napierova logaritmu

t = čas od začátku bouře

Infiltrace závisí na:

• intenzitu a trvání dešťů,
• počasí (teplota),
• vlastnosti půdy,
• rostlinný obal,
• využívání půdy,
• počáteční obsah vlhkosti v půdě (počáteční vlhkost),
• zachycený vzduch v půdě nebo skále,
• a hloubka hladiny podzemní vody.

Stanovení infiltrace

Způsoby stanovení infiltrace jsou:

• Infiltrometry
• Pozorování v jámách a rybnících
• Lysimetry
• Simulátory umělého deště
• Hydrografická analýza

REFERENCE

• Prof.Dr. FİKRET KAÇAROĞLU, Přednáška, Univerzita Muğla Sıtkı Koçman
• Davie, T., 2008, Základy hydrologie (druhé vydání). Rutledge, 200 s.
• Raghunath, HM, 2006, Hydrologie (druhé vydání). New Age Int. Publ., Nové Dillí, 463 s.
• Usul, N., Inženýrská hydrologie. METU Press, Ankara, 404 s.