Avrinning Avrinning När nederbörden nått marken kommer den att söka söka sig till allt lägre liggande nivåer. Först bildas små rännilar och som efterhand växer till bäckar och åar. När dessa små vattendrag så småningom börjar att samverka bildas större vattendrag som floder och älvar. Ju närmre vattendraget kommer havet desto större blir flödet i vattendraget eftersom fler och fler biflöden ger tillskott. Flödet i ett vattendrag är inte konstant under året utan växlar med nederbörden och årstiden. Under den kalla tiden binds nederbörden i form av snö och is och då minskar flödet i vattendraget. När snö och is sedan smälter kommer vattenflödet att under en kort tid att öka enormt (vårflod). Tillfälliga regn kan också öka flödet temporärt i vattendraget. Diagrammet till vänster visar hur vattenföringen växlar under året för ett typiskt vattendrag i mellersta Sverige. Den stora ökningen av vattenföringen i april beror av snösmältning medan den mindre ökningen under oktober beror av de ihållande frontala regn som de skandinaviska länderna är utsatta för under hösten. Ett diagram som visar hur vattenföringen ändras över tiden kallas hydrograf. http://aqua.tvrl.lth.se/course/vvr111/hydro/fors.html [2008-09-25 13:04:28]
vattendrag Flödesmätning utan påverkan på vattendraget Vid tillfälliga mätningar av flödet i ett vattendrag vill man undvika att påverka naturen. Man vill lämna vattendraget och dess omgivningar i samma skick som före mätningarna. Flödesmätning av denna typ bygger som regel på en kombination av mätningar. Man mäter dels tvärsnittsarean (A) av vattendraget och dels vattenhastigheten (v), vilket ger flödet (Q) enligt; Tvärsnittsarea I nedanstående figurer visas först ett exempel på hur man mäter tvärsnittsarean och i de tre följande figurerna exempel på hur man mäter hastigheten. I den sista figuren inom denna kategori visas hur man genom utspädning av ett lösningsmedel kan fastställa flödet. Tvärsnittsarean av vattenflödet i ett vattendrag fastställs enklast genom att mäta avståndet från vattendragets botten till vattenytan vinkelrätt mot flödesriktningen. För att underlätta mätningen bör man söka upp en plats med små variationer i vattendjup över tvärsnittsarean. Apelsiner Strömkors Flygel Ett enkelt sätt att mäta hastigheten är kasta i ett föremål och mäta upp hur lång tid det tar för föremålet att förflytta sig en viss sträcka. Apelsiner är bra, de har samma densitet som vattnet, de syns lätt och dess runda form gör att de följer vattnets rörelse utan större motstånd. Nackdelen är emellertid att de enbart mäter vattenhastigheten vid ytan. Ett strömkors består av två vinkelrätt mot varandra skivor som bildar ett kors. Syftet med strömkorsmätning är att få ett representativt värde på den vertikala hastighetsfördelningen i vattendraget. Strömkorset hänger i en väl markerad flytboj. Ju större strömkorset är desto större måste flytbojen vara, vilket kan leda till att andra krafter (t ex vind) kan påverka strömkorsets rörelser. Flygelmätning innebär att man sänker ner en propeller som sätts i rörelse av vattenflödet. Propellerhastigheten är genom kalibrering relaterad till vattenhastigheten. Fördelen med flygeln är att man kan avläsa hastigheten i alla punkter över tvärsnittsarean. Lämpligen kan man ställa sig på en bro över vattendraget när man mäter med flygel. http://aqua.tvrl.lth.se/course/vvr111/hydro/flow.html (1 of 2) [2008-09-25 13:04:46]
vattendrag Spårämne Man kan injektera ett lösningsmedel i vattendraget med en viss initiell lösningskoncentration (I). När lösningsmedlet spridit sig i hela vattendraget tar man upp ett prov (P) och undersöker hur mycket koncentrationshalten spätts ut. Q=vattenföring i vattendraget [m3/s] q=mängd lösningsmedel [m3/s] B=naturlig koncentration i vattendraget [g/lit] I=koncentration av lösningsmedlet [g/lit] P=koncentration av provet [g/lit] Flödesmätning med påverkan på vattendraget Thompsonöverfall I vissa fall anses det nödvändigt att utföra kontinuerliga och exakta mätningar i ett vattendrag. Om det då inte medför alltför stora ingrepp i naturen bygger man en konstruktion som tillåter exakta mätningar av flödet. Som regel kopplas mätapparaturen till en skrivare som kontinuerligt registrerar flödet. I andra fall existerar redan en konstruktion som man kan ta nytta av för flödesmätning, t ex är vattenkraftverk kanske den mest exakta flödesmätaren som finns. Bilden visar hur man stängt av vattendragets naturliga flöde och tvingar vattnet genom en V- formad öppning. Om spetsvinkeln i öppningen är 90 grader kallas konstruktionen för Thompsonöverfall och flödet kan enkelt räknas ut genom att enbart mäta avståndet (H) från spetsens underkant till vattenytan. Vattenkraftverk Om allt vatten passerar genom turbinerna i vattenkraftverket kan man enkelt räkna ut flödet genom använda följande kända variabler; P = kraftverkets effekt [kw] µ = kraftverkets förlustkoefficient, ca 0.92 [sortlös] g = 9.81 [m/sek*sek] H = fallhöjden [m] http://aqua.tvrl.lth.se/course/vvr111/hydro/flow.html (2 of 2) [2008-09-25 13:04:46]
hydrografer Hydrografer Hydrografer beskriver hur vattenföringen i ett vattendrag ändras över tiden. Vattenföringen mäts regelmässigt i kubikmeter per sekund medan tidsaxeln kan varieras från timmar till år beroende på tillämpningen. Man har av flera skäl valt att försöka beskriva sambandet mellan nederbörden över ett avrinningsområde och vattenföringen i ett vattendrag. Det är för det första avgjort lättare att mäta nederbörden än vattenföringen. För det andra existerar det i många fall mycket långa tidsserier av nederbördsdata i områden där vattenföringen helt nyligen börjats mäta. I de fall som ett samband mellan nederbörden och vattenföringen kan fastställas får man alltså upplysningar om hur vattenföringen har varierat historiskt även om man inte har mätt vattenföringen. Hydrografanalys För att kunna få jämförbara data krävs en regeluppsättning av definitioner och antaganden Den totala nederbörden delas upp i två delar. Dels nederbörd som infiltreras, avdunstar eller på annat sätt försvinner och dels nederbörd som kommer vattendraget till del. Den del av nederbörden som kommer vattendraget till del kallas effektiv nederbörd. För att avskilja den effektiva nederbörden från den totala nederbörden kan man exempelvis använda sig av φ - indexmetoden. Den totala vattenföringen delas på liknande sätt upp i två delar. Dels vattenföring som inte kan hänvisas till något speciellt nederbördstillfälle, basflöde, och dels vattenföring som beror av den effektiva nederbörden, direkt avrinning. Definitioner och antaganden Detta betyder att vattenvolymerna i den effektiva nederbörden och den direkta avrinningen är identiska. Totalt flöde = Basflöde + Direkt avrinning Total nederbörd = Nederbördsförluster + Effektiv nederbörd Effektiv nederbörd = Direkt avrinning Nederbördsintensiteten är lika stor i alla punkter över hela avrinningsområdet Inom varje valt nederbördsintervall är nederbörden konstant Den direkt avrinningen är tidsoberoende, dvs varierar ej med årstiden Den direkta avrinningen som funktion av den effektiva nederbörden är en linjär funktion Varaktigheten av den direkta avrinningen beror endast av nederbördstiden och ej av nederbördsintensiteten Enhetshydrograf Vi skall nu se hur dessa antaganden och definitioner kommer att påverka vår analys. Genom upprepade mätningar har vi kommit fram till att ett regn på 1 mm under en timma kommer att ge ett visst tillskott av vattenföring i vattendraget. Detta tillskott kallar vi direkt avrinning eller enhetshydrograf och skriver UH (unit hydrograph). Vid varje tidsenhet (timma) har man mätt vattenföringen i vattendraget (minus basflödet) och fått fram följande samband som syns på nedanstående bild och tabell. Den direkta avrinningen är noll precis när regnet börjar, stiger dramatiskt i början för att nå en topp och sedan sakta avta. Efter 10 timmar är den direkta avrinningen återigen noll och endast basflödet finns kvar. http://aqua.tvrl.lth.se/course/vvr111/hydro/hydrograf.html (1 of 3) [2008-09-25 13:05:02]
hydrografer Tid UH (timmar) (m3/s) 0 0 1 5 2 20 3 30 4 25 5 17.5 6 12.5 7 7.5 8 5 9 2.5 10 0 Om det istället regnar 2 mm på en timma kommer hydrografen att bli exakt dubbelt så stor vid varje tidsenhet. Likadant, om det regnar 4 mm på en timma kommer hydrografen att bli 4 gånger så stor vid varje tidsenhet. Däremot kommer hydrografen alltid att avslutas efter 10 timmar oavsett om det regnar 1 mm eller 4 mm. Tid UH (timmar) (m3/s) 0 0 1 10 2 40 3 60 4 50 5 35 6 25 7 15 8 10 9 5 10 0 I det fall att två regn följer direkt efter varandra skall man enligt antagandena addera hydrograferna från de enskilda regnen med varandra. I nedanstående bild ser vi först ett regn som börjar vid tiden noll och avslutas vid tiden 1. Därefter följer ett identiskt regn. För vart och ett av dessa regn ritar man upp hydrografen. Därefter adderar man den direkta avrinningen från de två hydrograferna och får den sammanlagda avrinningen från två efter varandra följande regn. Lägg märke till att avrinningen från det första regnet börjar vid tiden noll och avslutas vid tiden 10. Avrinningen från det andra regnet börjar en timma senare och avslutas en timma senare. Den sammanlagda avrinningen börjar således vid tiden noll och avslutas vid tiden 11. I tabellen invid bilden visas hur man beräknar summan av avrinningen av två efter varandra följande regn. http://aqua.tvrl.lth.se/course/vvr111/hydro/hydrograf.html (2 of 3) [2008-09-25 13:05:02]
hydrografer Tid UH(1) UH(2) SUH (timmar) (m3/s) (m3/s) (m3/s) 0 0 0 0 1 5 0 5 2 20 5 25 3 30 20 50 4 25 30 55 5 17.5 25 42.5 6 12.5 17.5 30 7 7.5 12.5 20 8 5 7.5 12.5 9 2.5 5 7.5 10 0 2.5 2.5 11 0 0 0 http://aqua.tvrl.lth.se/course/vvr111/hydro/hydrograf.html (3 of 3) [2008-09-25 13:05:02]