Szabad vízfelület vízállásának elemzése Hidrometeorológia Vizsgadolgozat

Feladat A feladat egy szabad vízfelület (esetünkben egy tetszőlegesen kiválasztott vízfolyás) két szomszédos állomásának adataiból párolgási értékek számítása a megadott 4 számítási módszer alapján, a becslési módszerek összevetése, a vízfolyás és a levegőkörnyezet 3 havi változásainak (vízállás, vízhozam, léghőmérséklet, csapadék, légnedvesség) jellemzése és értékelése. A hallgató feladata a szükséges meteorológiai és hidrológiai adatok összegyűjtése, feldolgozása, elemzése, értékelése.

Bemenő adatok Bemenő adatok: léghőmérséklet, relatív nedvesség vagy harmatpont értéke, szélsebesség, szélirány, csapadékösszeg, légnyomás, vízállás, vízhozam Minden egyéb adat kiegészítő információ, amit lehet ábrázolni és elemezni (pl. vízhőmérséklet stb), hogy kompex legyen a dolgozat. Az állapothatározók időbeli felbontása: órás, félórás, vagy napi érték Az esőkarakterisztika számolásához kell részletesebb időbeli felbontás: órás/félórás/10perces/perces felbontású csapadék adat (ami elérhető), itt azonban elég egy csapadékeseményre ez a felbontás (egy-két nap). A párolgásszámításhoz napi átlagokat kell képezni.

Adatfeldolgozás mérés modellezés=közelítés(becslés) Lépések:   Lépések: 1. adatgyűjtés adatforrás: saját mérés (hitelesített műszerrel) vagy mért adatsor (tulajdonos jogai!) 2. egységesítés, szűrés mértékegységek, idősor, ellenőrzés szűrés: hibás adatok (kiugró értékek pl: szomszédok összevetésével) adatpótlás (gap filling): csak ha szükséges 3. elemzés statisztikák (átlag, szélsőértékek, korreláció: lineáris kapcsolatot feltételezünk) számolása és megjelenítése (táblázat, grafikon: scatter-plot, gyakoriság, időmenet) 4. értékelés eredeti kérdések megválaszolása, ábrák kiválasztása, válaszok szöveges megfogalmazása

Kötelező elemek: számolás, ábrázolás és szöveges elemzés Meteorológia elemek vizsgálata: Hőmérséklet (időbeli menet) Csapadék (esőkarakterisztika, időbeli menet: oszlopdiagram!) Szélirány (szélrózsa) Légnedvesség (időbeli menet) Hidrológiai elemek vizsgálata: Vízállás (időbeli menet: vízjárás, gyakorisági görbe, tartóssági görbe, medián, módusz) Mércekapcsolati vonal Vízhozam-vízállás görbe (hurokgörbe) Párolgásbecslés

Meteorológia elemek vizsgálata: időbeli menet

Szélrózsa 0-359° 0° É-i irány Gyakorisági diagram (%) Fő- és mellékirányok (16db)

Csapadék jellemzők Csapadékmennyiség, csapadék összeg (napi, havi, éves) : h [mm]; 1 mm csapadék = 1 liter/m2 Intenzitás: i [mm/s], [mm/min], [mm/d], egységnyi idő alatt lehullott csapadékmennyiség i = h/T Időtartam: T [nap, óra, vagy perc] Eső-karakterisztika: A leesett csapadék időbeli alakulását kifejező vonal, csapadékösszegző vonal 8

Mércetípusok Napi 1-2 leolvasás Folyamatos mérés Vízállás mérése: - álló vízmércével - fekvő vízmércével - vízállás-íróval Napi 1-2 leolvasás Folyamatos mérés vízmérce „0” pontja: Kronstadt, mBf: „méter Baliti-t. felett” (0.6747 m-rel magasabb Adriánál) Sartorio móló, Trieszt, mAf: „méter Adria felett”

Vízmérce

Nevezetes vízállások LKV – legkisebb víz: LNV – legnagyobb víz: A történelmi legalacsonyabb vízállás LNV – legnagyobb víz: A történelmi legmagasabb vízállás KV – kisvíz: Időszakon belüli legkisebb vízállás NV – nagyvíz: Időszakon belüli legnagyobb vízállás KKV – közepes kisvíz: Hosszabb időszak KV-einek számtani közepe KNV – közepes nagyvíz: Hosszabb időszak NV-einek számtani közepe KÖV – középvíz: A vízállás idősor összes tagjának számtani közepe ÁTV – átlagos víz: Egy évben a folyó ugyanannyiszor haladta meg, mint ahányszor nem érte el

A tartósság és gyakoriság Valamely időszakra vonatkoztatható a vízjáték, amely az észlelt legnagyobb és legkisebb vízállás különbsége. A vízmércék kialakítását szabványosították, a vízmércén látható számok pedig mindig helyi rendszerben értendők. A nulla pontot általában az adott helyen korábban tapasztalt legkisebb vízszinthez illesztik, így lehetséges negatív vízállás. Ha a vízállás emelkedik áradásról, ha csökken apadásról beszélünk. A vízállás változásának időbeliségét vízjárásnak mondjuk. A vízállás gyakorisága: egy folyó vízállása adott időszak alatt (pl. 1 év) milyen gyakran esett bizonyos vízszintek közé. A vízállás tartóssága: egy adott vízállást milyen hosszan (hány napon keresztül) haladt meg a vízállás (összegzett gyakoriság).

A tartósság és gyakoriság intervallum gyakoriság: két szint között előfordult vízállások darabszáma osztályköz: a két szint közötti távolság osztályközök számának (k) meghatározása: 2k>N; N:összes vízállásadat száma osztályköz szélesség: (vízállásmax− vízállásmin)/k: kerekítve egész számra osztályköz alsó határa ≤ adott osztályközbe tartozó vízállás < osztályköz felső határa medián (50%-os tartóssághoz tartozó vízállás magassága): átlagos víz összes vízállás számtani közepe: közepes víz általában: átlagos víz < közepes víz

Gyakorisági görbe: az osztályközökhöz tartozó gyakoriságot a vízállás függvényében ábrázoljuk Tartóssági görbe: az osztályközök alsó határához tartozó összegzett gyakoriságot a vízállás függvényében ábrázoljuk (gyakoriság integrálja)

Vízhozam-vízállás görbe lefolyás mennyiségének meghatározására, árvízi tetőzés előrejelzésére A vízhozam-mérések gyakorisága kisebb, mint a vízállásé: kapcsolat a vízállás és a vízhozam között összetartozó értékpárok: „Q-H” görbe: grafikusan Vízhozam: egységnyi idő alatt a keresztszelvényen átfolyó vízmennyiség: Q = v*A [m3/s] v: vízsebesség, A: áramlási keresztmetszet

Vízhozam-vízállás görbe egy mért vízhozam értéknek a kiegyenlített görbétől való eltérése: mederváltozás: „Q-H” görbe eltolódik jég jelenléte: „Q-H” görbe elfordul benőttség változása (ártér, hullámtér aljnövényzetének, fáinak vegetációs ciklusa):„Q-H” görbe elfordul mederváltozás meghatározására két részre osztjuk az adatsort és külön-külön elkészítjük a két „Q-H” görbét: egymáshoz viszonyított helyzetük megadja a mederváltozás irányát és mértékét zajló jég: alig van eltérés; álló jég: teljesen eltérő

Vízhozam mérési módszerek megválasztása Vízhozam tartomány Feltételek Köbözés < 2 l/s Köböző edény elhelyezhető (sugárban kifolyás) Mérőlap (mérőbukó) 2 – 20 l/s Meder szélesség < 2 m, vízmélység < 0.5 m, Mérőlap „beépíthető” Mérőszűkület, Parshall-csatorna 10 – 1000 l/s Egyenes szakasz (min. a csatorna szélesség 10-szerese) Jelzőanyagos (kémiai) mérés < 0.1 m3/s Elkeveredés biztosított (nincsenek holtterek) Sebesség és keresztszelvény terület meghatározása > 0.1 m3/s Meder szabályos, nincs benőve, Sebesség > 0.2 m/s

Mérés bukóval

Kéki-patak Vízhozam mérő szelvény Burnót-patak Automata vízmintavétel és mérőbukó

Q-H görbe

Vízállás idősor tetőzési pont árhullámkép völgyelési pont Árvizi hurokgörbe

árvízi hurokgörbe: sík, kis esésű folyókon; áradó ágon ugyanahhoz a vízálláshoz nagyobb vízhozam tartozik, mint apadó ágon, oka: vízszintesés-változása (magyar találmány, 1895) Árvízi hurokgörbék az 1998. novemberi és 2010. decemberi tiszai árhullámról

Mércekapcsolati vonal Két szelvény (Hf;felső és Ha;alsó) tetőző és völgyelő vízállásai közötti kapcsolat közelítése egyenessel, ha viszonylag egyenes szakasz, hasonló szelvényalak, nincs vízkivétel, betáplálás, nincs műtárgy a szakaszon (nincs duzzasztás); aránylag közeli állomásokat választva.

Mércekapcsolati vonal szerkesztése minden markáns, relatív szélsőértékek kiválasztása, összepárosítása: felső vízmérce adatait az alsó vízmérce 0-2 nappal később mért szélsőértékeivel csak a jégmentes időszakot vesszük figyelembe: vízhozamot és vízállást befolyásolja kiegyenlítő egyenes felvétele: mércekapcsolati vonal (korreláció,r ≥ 0.8) nagyobb távolságra lévő állomások esetén: görbe nem egyenes A mércekapcsolati vonal használata: előrejelzés mederváltozás (kimosódás, feliszapolódás) hiányzó adatok pótlása

Párolgás (evapotranspiráció) Az evapotranszspiráció (ET)mennyiségét azzal a mm-ben kifejezett vízoszlopmagassággal adjuk meg, amely az adott területről egységnyi idő alatt pára alakjában távozik. Az evapotranszspiráció két összetevője: evaporáció: egy fizikai folyamat, melynek során hőenergia átadás révén a növényzetmentes felszín felületéről a víz elpárolog; transzspiráció: egy alapvetően fiziológiai (biológiai, biofizikai, biokémiai) folyamat, amelynek során a növényzet vízpárát bocsát ki. ET = a víz visszakerülése a légkörbe: növényeken keresztül (transpiráció) növények felszínéről, szabad vízfelszínről, földfelszínről (evaporáció) Mo-on tényleges párolgás: 540mm/év; csapadék: 600mm/év csapadék-ET= felszíni és felszín alatti lefolyással Mo-on a csapadékosabb terültek párologtatnak többet

Vízháztartás C + c - F - P = Vt csapadék mikrocsapadék lefolyás párolgás közelítés C  F + P Párolgást alakító tényezők a) elpárologtatható vízmennyisége b) rendelkezésre álló hőenergia Potenciális párolgás: Pp = E/L (L  2.6 106 J/kg) Ariditási, vagy szárazsági index: H E a felületegységre időegység alatt érkező energia, Lp pedig az 1 kg víz elpárologtatásához szükséges energia C csapadékösszeg H < 1 nedves éghajlat; H > 1 száraz éghajlat

Párolgás mérése Vízfelszín párolgása: párolgásmérő kád (potenciális evaporáció!) Természetes földfelszín párolgása: liziméter (evapotranspiráció); környezetüktől különválasztott talajoszlopok, ”folyadékmérő” megváltozott párolgási viszonyok az elzárás miatt: a liziméter méretének növelésével pontosítható a mérés többféle csoportosítás, szerkezet alapján: tömegmérésen alapul (víztartalom változása arányos a tömegváltozással) kompenzációs (vízutánpótlással a vízszint megtartása)

Párolgásmérő kádak A-típusú kád: felülete kb. 1,14 m2, mélysége 0,25 m U-típusú kád: felülete kb. 3 m2, mélysége 0, 5 m Vízszintmérés: a kádon belül elhelyezett talapzatra mérőhengert helyezünk, amelybe egy furaton keresztül a kád vízszintjének megfelelő szintig víz áramlik be, a furatot csavarral elzárjuk, a hengert kiemeljük, a benne lévő vizet 0,1 mm beosztású mérőhengerbe öntjük, mérés után a kádból kivett vizet visszaöntjük Csapadék esetén: annak mennyiségét ki kell vonni Fa talapzat, hálóval védik az állatoktól

Szabad vízfelszín párolgása (evaporáció) 𝑃=𝑓(𝑢)∙( 𝑒 𝑠 −𝑒) [Dalton, 1802] P: párolgás [mm]; 1 mm vízoszlop = 1m2-en 1 kg víz térfogata u: szélsebesség es-e: telítettségi párahiány (vpd: vapour pressure deficit, hPa) vpd > 0: párolgás (es > e): „van még szabad hely a gőzfázisban” vpd < 0: lecsapódás (es < e) es számítása: Magnus-Tetens formulával (aktuális hőm. függvénye) e számítása 2 módon történhet: Magnus-Tetens formulával (harmatponti hőm. függvénye) relatív nedvesség (RH, %) *es

Szabad vízfelület párolgás-becslése 1 mm vízoszlop = 1m2-en 1 kg víz térfogata Meyer 1 (in Koris, 1993) mm/hó 𝑃=11∙ 1+0,2∙𝑢 ∙( 𝑎 𝑠 −𝑎) u[m/s]; a [g/m3] Meyer 2 (in Péczely, 2002) mm/nap 𝑃=0.375∙ 1+0,2∙𝑢 ∙( 𝑒 𝑠 −𝑒) u[m/s]; e [hPa] Davidov (in Soós, 2003) 𝑃=0.55∙ 1+0,21∙𝑢 ∙ ( 𝑒 𝑠 −𝑒) 0.8 u[m/s]; e [Hgmm] Szesztay (1964) 𝑃=0.0825∙ 1+0,2∙𝑢 ∙( 𝑒 𝑠 −𝑒) u[m/s]; e [Pa]

Hivatkozások Meyer 1 Koris K. (1993): Hidrológiai számítások. Akadémiai Kiadó, Bp. Meyer 2 Péczely Gy. (2002): Éghajlattan. Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp. Davidov Soós A. (2003): Mezőgazdasági vízgazdálkodási alapismeretek. TSF-MVK Főiskolai Kar, Szarvas. Szesztay Szesztay K. (1964): Magyarország öntözővízkészlete és a Kárpát-medence vízháztartása. Beszámoló a VITUKI 1961. évi munkájáról. Budapest.

Párolgásbecslés a dolgozatban a 4 kiválasztott képlet alapján, havi és háromhavi értékek számítása (mm/hó), illetve az összmennyiség (kg/hó vagy m3/hó) (szelvény szélességének lemérése: Google Earth alapján) összmennyiség: felszín (m2) * párolgás mértéke (mm) a szelvényt tófelszínnek feltételezzük (vízmozgástól eltekintünk) es-e: telítettségi párahiány (elsősorban víz hőmérsékletétől függ, de a levegő hőmérsékletével közelítjük) a bemenő értékek a két állomás alapján képzett átlagokkal közelítjük