Modyfikacja Procedury Kontroli Opracowania Danych O Przepływach Rzek W Węzłach Hydrologicznych
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
PRZEGLĄD GEOFIZYCZNY Rocznik LVIII 2013 Zeszyt 3–4 Ewa NASŁAWSKA-MAJCHRZAK IMGW-PIB − Warszawa MODYFIKACJA PROCEDURY KONTROLI OPRACOWANIA DANYCH O PRZEPŁYWACH RZEK W WĘZŁACH HYDROLOGICZNYCH MODIFICATION OF THE DISCHARGE DATA CONTROL PROCEDURE AT HYDROLOGICAL NODES An illusion of knowledge can do more harm than awareness of ignorance. Vit Klemeš Dane hydrologiczne, jak wszystkie dane empiryczne, obarczone są błędami pomiaru i opracowania. Dotyczy to szczególnie danych o przepływach rzek. Cho- ciaż współczesne metody pomiaru przepływu oraz wyposażenie ekip terenowych są coraz doskonalsze, to jednak w opracowaniach przepływów codziennych i cha- rakterystycznych postęp nie jest równie szybki. Konstrukcje krzywych natężenia przepływu oraz stosowanie współczynników redukcyjnych w czasie występowania zjawisk lodowych i zarastania rzek roślinnością wodną są etapami opracowania, w których pojawiają się znaczne błędy. Istotą metod wykrywania błędów oszacowań przepływu jest sprawdzanie niesprzeczności przepływów w strukturze sieci rzecznej oraz niesprzeczności z innymi, również obarczonymi błędami, charakterystykami hydrologicznymi, głównie sumami opadów. Należy tu podkreślić, że metody wykrywania błędów oszacowań przepływu pozwalają jedynie na wskazanie tych stacji wodowskazo- wych, w których oszacowania nie są wiarygodne. Etap poprawiania oszacowań polega na szczegółowej weryfikacji jakości pomiarów i procedur obliczeniowych (głównie poprawności krzywych natężenia przepływu i zastosowanych współ- Prz. Geof. LVIII, 3-4 (2013) 198 E. Nasławska-Majchrzak czynników redukcyjnych). Brane są również pod uwagę typ i działanie urządzeń rejestrujących stany wody, krok czasowy obserwacji i metody pomiarów przepływu. Jedną ze skuteczniejszych metod poszukiwania błędów opracowania przepływu stosowaną w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW-PIB) od wielu lat była metoda bilansu wartości charakterystycznych przepływu w węzłach hydro- logicznych. Dawniej wyniki obliczeń były prezentowane zarówno w formie graficz- nej, jak i analitycznej. Graficzne przedstawienie bilansu przepływu miało postać profilu hydrologicznego, zwanego także podłużnym (np. Atlas Hydrologiczny Polski, 1986), przedstawiającego zmienność przepływów charakterystycznych wzdłuż biegu rzeki. Metoda przynosiła większe korzyści w wariancie bilansu na warto- ściach średnich przepływu (miesięcznych, sezonowych i rocznych SQ lub śred- nich z wielolecia SSQ). Wartości ekstremalne, zwykle niesumujące się w węzłach, można było analizować metodą bilansową tylko w ograniczonej liczbie przypadków. Do analizy ekstremów stosowano metody wykorzystujące miary asynchroniczności przepływów. Słabym punktem metod była konieczność dokonywania subiektyw- nych ocen i wyborów. Prace nad procedurami kontroli, obecnie kontynuowane w IMGW, koncentrują się na zredukowaniu nadmiernego subiektywizmu metod. To zadanie w znacznym stopniu ułatwia dzisiejszy potencjał informatyczny. Wyko- rzystanie standardowych narzędzi środowiska GIS do pozyskania charakterystyk obszarowych zlewni oraz informacji z warstw Mapy podziału hydrograficznego Polski (MPHP, 2005) pozwoliło znacznie usprawnić i poprawić wyniki w proponowanej wersji algorytmu metody. Identyfikacja węzła hydrologicznego W warunkach naturalnych rzeki są zasilane wodą ze źródeł i wód podziemnych oraz wodami pochodzącymi z opadów atmosferycznych. W ujściach dopływów ilość wody płynącej w rzece głównej zwiększa się, przepływy się sumują. Miej- sce połączenia rzeki z dopływem jest określane mianem węzła hydrograficznego. Odpowiadający tej sytuacji węzeł hydrologiczny obejmuje dwa wodowskazy na rzece głównej (powyżej i poniżej dopływu) oraz wodowskaz na dopływie naj- bliższy jego ujścia do recypienta. W przypadku takich węzłów zidentyfikowa- nych w sieci pomiarowo-obserwacyjnej można najefektywniej prowadzić kontrolę i ocenę poprawności opracowania przepływu. Wyznaczenie zlewni różnicowej węzła hydrologicznego Z uwagi na warunki pomiarów stanu i przepływu stacje wodowskazowe loka- lizuje się w pewnej odległości od węzłów hydrograficznych, zatem z pojęciem Modyfikacja procedury kontroli ... 199 Rys. 1 Rozmieszczenie stacji wodowskazowych wyznaczających węzeł hydrologiczny Wisły z Nidzicą i Dunajcem Fig. 1. Location of hydrological stations forming the hydrological node of the rivers: Vistula, Nidzica and Dunajec węzła hydrologicznego nierozerwalnie wiąże się pojęcie zlewni różnicowej węzła. Jest to obszar obejmujący fragmenty zlewni rzeki głównej i dopływu (dopływów) o powierzchni: Ar = AD – AG – ΣAdopł (1) gdzie: AD – powierzchnia zlewni zamkniętej wodowskazem poniżej ujścia dopływu 2 (km ), AG – powierzchnia zlewni zamkniętej wodowskazem powyżej dopływu 2 2 (km ), ΣAdopł – powierzchnia zlewni wodowskazowych dopływów (km ). 200 E. Nasławska-Majchrzak Rys. 2. Zlewnia różnicowa węzła hydrologicznego Wisły z Nidzicą i Dunajcem Fig. 2. The hydrological node’s catchment of the rivers Vistula, Nidzica and Dunajec Bilans wartości średnich SQ Bilans przepływu w węźle hydrologicznym wynika z prawa zachowania masy tj. suma dopływów jest równa odpływowi: SQ= SQ +S SQ + Sq A DG dopl r r (2) 3 gdzie: SQD – przepływ średni recypienta poniżej ujścia dopływu (m /s), SQG – 3 przepływ średni recypienta powyżej ujścia dopływu (m /s), SSQdopł – suma prze- Modyfikacja procedury kontroli ... 201 3 pływu średniego dopływów (m /s), Sqr – średni odpływ jednostkowy ze zlewni różnicowej węzła (m3/s). Jedyną nieznaną wartością w równaniu (2), którą należy określić, jest średni odpływ jednostkowy ze zlewni różnicowej węzła (Sqr). Przybliżone oszacowanie tego odpływu otrzymuje się na podstawie danych ze zlewni podobnej (np. Herbst, 1971), przy wyborze której należy kierować się: − podobieństwem czynników odpływotwórczych, − podobieństwem form i skali oddziaływania antropopresji. Błędy oszacowania odpływu wynikające z przeniesienia informacji hydrologicz- nej z innej zlewni oraz nieadekwatności wyboru zlewni podobnej, a także błędy pomiarów hydrometrycznych i błędy wynikające z metodyki obliczania przepływu sprawiają, że równanie bilansowe na ogół nie jest spełnione. Odchyłka między lewą i prawą stroną równania wynosi: ∆SQ = SQD - (SQG + SSQdopł + SqrAr) (3) Błąd względny bilansu przepływów średnich w węźle, w tradycji IMGW-PIB, był przedstawiany w procentach: DSQ d = 100% (4) SQ D Dosyć arbitralnie przyjmowane kryteria (normy) akceptacji wartości δ dopusz- czały maksymalną wartość tego błędu w przypadku charakterystyk półrocz- nych, rocznych i wieloletnich ±15% oraz charakterystyk miesięcznych ±20%. W węzłach, w których przekraczanie norm dla błędu bilansu (4) nie dawało się uzasadnić działalnością człowieka, znaczącymi wylewami wód przez przerwane wały lub charakterystycznymi cechami obszaru, należało: − zanalizować dobór zlewni-analoga, z której wartości odpływu były przeno- szone na zlewnię różnicową węzła, − sprawdzić opracowanie krzywych natężenia przepływu dla wszystkich wodo- wskazów węzła, − powrócić do opracowania wartości codziennych Q z odpowiedniego okresu i przeanalizować redukcję przepływu ze względu na zjawiska sezonowe we wszyst- kich wodowskazach węzła. Wykonanie tych szczegółowych analiz miało doprowadzić do identyfikacji miejsc i etapów opracowania danych, które należało poprawić. Najtrudniejszym i najbardziej subiektywnym etapem w metodzie bilansu jest konieczność znalezienia kontrolowanej zlewni podobnej do zlewni różnicowej węzła. Jeżeli nawet podejmujemy trud prowadzenia szczegółowych analiz opa- dowych i odpływotwórczych właściwości obszarów sąsiednich zlewni, to często okazuje się, że ostateczny wybór jest zdeterminowany listą zlewni kontrolowanych, 202 E. Nasławska-Majchrzak a nie wynikami przeprowadzonej analizy. Proponowana w artykule, stosunkowo nieduża, modyfikacja algorytmu bilansowania pozwala łatwiej uzyskać rozwiąza- nie, eliminując najtrudniejszy etap metody. Modyfikacja polega na sprowadzeniu wyniku bilansu średnich wartości SQ do postaci warstwy odpływu z obszaru zlewni różnicowej węzła i porównania jej z warstwą opadu spadłego na ten sam obszar w tym samym okresie. Współczynnik odpływu, jaki otrzymuje się w ten sposób, jest łatwiejszy do interpretacji niż procentowy błąd bilansu. Obliczenie warstwy odpływu ze zlewni różnicowej węzła Wysokość warstwy odpływu H (tzw. wskaźnik odpływu) jest to wysokość war- stwy wody odpływającej z określonego dorzecza w określonym przedziale czasu i podawana w milimetrach. Miarę tę oblicza się jako iloraz objętości odpływu ze zlewni V i powierzchni zlewni A. Dla zlewni różnicowej węzła wzór przyjmuje postać: 86, 4 ××d SQ - SQ - SQ ( DG å dopl ) H = (5) Ar gdzie: d – liczba dni w rozpatrywanym przedziale czasu. Obliczenie warstwy opadu spadłego na powierzchnię zlewni różnicowej węzła Wysokość warstwy opadu P (opad obszarowy) jest uśrednioną wysokością warstwy opadu, jaka spadła w pewnym okresie na powierzchnię zlewni. W prak- tyce jest średnią ważoną opadów zmierzonych na posterunkach opadowych, przy czym wagą jest cząstkowa powierzchnia określonej zlewni. Wielkość tę otrzymuje się z ilorazu całkowitej objętości wody opadowej i powierzchni, na którą spadła. PAD P = å ii (6) Ar gdzie: Pi – średni opad w i-tej części zlewni (mm), ∆Ai – powierzchnia i-tej części zlewni (km2). Wyznaczenie wag, ∆Ai/Ar można wykonać wieloma znanymi metodami: izo- hiet, wielokątów równego zadeszczenia (de Thiessena), hipsometryczną, siatki geograficznej oraz regionów opadowych. Ta ostatnia metoda jest rutynowo stosowana w IMGW (Rękosiewicz, 1961, Cetnarowicz, 1968). Jako region opadowy przyjmuje się obszar, na którym panują Modyfikacja