Jak „zmierzyć” rzekę – czyli o prawidłowym planowaniu pomiarów hydrometrycznych

W ciągu roku hydrologicznego zespoły IMGW-PIB wykonują od 6 do 10 pomiarów w różnych strefach stanów wody dla kilkuset wybranych punktów obserwacyjnych. Prawidłowe rozplanowanie pomiarów hydrometrycznych zależy od wielu czynników, takich jak reżim danej rzeki, obecność budowli hydrotechnicznych, stopień zarastanie koryta rzecznego, występowanie zjawisk lodowych itp. W normalnych warunkach zadanie to nie nastręcza wielu problemów. Sytuacja komplikuje się przy bardzo niskich stanach wody, tzw. niżówkach, oraz wezbraniach.

Dane pomiarowe i obserwacyjne są kluczowe dla prawidłowej oceny aktualnej sytuacji hydrologicznej i meteorologicznej oraz prognozowania zjawisk pogodowych. Dlatego w IMGW-PIB wszystkie pomiary, zarówno ręczne, jak i automatyczne, realizuje się z najwyższą starannością oraz zgodnie z międzynarodowymi standardami WMO. Zebrane w ten sposób dane trafiają do bazy danych historycznych, która stanowi źródło informacji dla innych pracowników Instytutu – naukowców, synoptyków, modelarzy.

Hydrolodzy opracowujący historyczne dane hydrologiczne opierają się w największym stopniu na analizie aktualnej sytuacji hydrologicznej, wynikach dotychczas wykonanych pomiarów oraz krzywych natężenia przepływu. Na tej podstawie co miesiąc określa się plany pomiarowe i przekazuje je ekipom terenowym do akceptacji bądź konsultacji i ewentualnych poprawek. Jakość danych zależy więc od dobrej współpracy między ekipami terenowym a pracownikami biur prognoz.

Pomiary realizuje się zwykle w strefie wody średniej i niskiej. Czas pomiędzy kolejnymi obserwacjami nie powinien przekraczać dwóch miesięcy, o co dbają zarówno pracownicy stacjonarni, jak i terenowi. Na rzekach górskich oraz zarastających w okresie wzmożonej wegetacji pomiary wykonywane są co miesiąc – rocznie 12, a w szczególnych sytuacjach nawet więcej.

Przygotowanie do pomiarów w czasie suszy hydrologicznej lub powodzi

Przy niskich stanach wody propozycje pomiarowe opracowuje się z wykorzystaniem typowych analiz, uzupełniając je informacjami z wieloletnich ciągów stanów i przepływów charakterystycznych. Jeżeli prognozy meteorologiczne sugerują dalsze obniżanie się stanów wody w rzekach, uchwycenie absolutnego minimum na konkretnej stacji wodowskazowej nie jest łatwe, ale możliwe do wykonania. Natomiast w warunkach wezbrania, które zazwyczaj ma dynamiczny charakter, planowanie pomiarów musi przebiegać sprawnie i z uwzględnieniem wielu czynników decydujących o konkretnym wyborze. Oto główne z nich:

1. Analiza sytuacji meteorologicznej i prognozy na najbliższe dni w celu określenia kierunku przemieszczania się frontów atmosferycznych oraz ich zasobności w opady atmosferyczne. Na tej podstawie można określić obszar, od którego należy rozpocząć wykonywanie pomiarów hydrometrycznych oraz wyznaczyć kierunek i termin realizowania obserwacji w kolejnych dniach przemieszczania fali wezbraniowej.
2. Analiza bieżących stanów wody (uwzględniająca przekroczenia stanów ostrzegawczych i alarmowych) oraz dynamiki wzrostów na stacjach zaopatrzonych w czujniki telemetryczne, z których otrzymujemy dane z 10-minutowym krokiem czasowym.
3. Rozeznanie w krzywych natężenia przepływu i wytypowanie, na podstawie dostępnych pomiarów oraz aktualnych stanów wody, stacji które powinny być potraktowane priorytetowo.
4. Ważnym elementem decydującym o realizacji planu pomiarowego jest przedyskutowanie z ekipami terenowymi możliwości wykonania danego pomiaru; chodzi tu nie tylko o możliwości sprzętowe czy osobowe, ale także o warunki lokalizacyjne danej stacji, które czasem mogą uniemożliwiać wykonanie danego pomiaru.

Należy pamiętać, że wszystkie wymienione czynniki muszą być przeanalizowane w bardzo krótkim czasie, a prace podzielone na różne ekipy pomiarowe, które szybko dotrą do wyznaczonych stacji. Takie warunki oznaczają, że nie wszystkie prośby hydrologów opracowujących dane pomiarowe będą zrealizowane.

Czym „zmierzyć rzekę”?

Kluczową rolę w prawidłowym zaplanowaniu oraz wykonaniu pomiarów hydrometrycznych, zarówno w normalnych warunkach, jak i w trakcie wezbrania, odgrywa dostępny w IMGW-PIB sprzęt. Oto niektóre przyrządy używane przez hydrologów podczas wizyty na stacji wodowskazowej.

Młynek hydrometryczny
Młynek hydrometryczny na sondzie drążkowej[i] wykorzystuje się do ustalania przepływu wody w otwartych korytach wodnych, strumieniach, rzekach. To klasyczny i niezawodny instrument, który od dziesięcioleci używany jest przez ekipy pomiarowe na całym świecie. Jego zwarta i mocna konstrukcja oraz zastosowanie materiałów wysokiej jakości, pozwalają wykonywać precyzyjne pomiary w najbardziej ekstremalnych warunkach. Młynek hydrometryczny nadaje się do pomiarów prędkości przepływu od 0.025 m/s do 10 m/s. Urządzenie może pracować również na zawieszeniu – na tzw. sondzie ciężarkowej. Takie rozwiązanie stosuje się przy głębokościach powyżej 2 m i prędkościach większych niż 1 m/s. Sondy ciężarkowe wykonane są zazwyczaj z żelaza lub ołowiu i mają kształt kuli, soczewki lub torpedy zawieszonej na stalowej lince. Urządzenie o masie (25, 50 lub 100 kg opuszcza się do wody ze specjalnych wyciągów linowych zaopatrzonych w liczniki. Przy większych głębokościach stosuje się czujnik, który sygnalizuje oparcie sondy na dnie. W ciekach o dużych prędkościach przepływu napór hydrodynamiczny wody oddziałuje na sondę i linę, powodując odchylenia – wówczas pomiar należy zweryfikować o poprawkę zależną od prędkości przepływu, głębokości wody oraz masy liny i ciężarka.

Czujniki prędkości przepływu wody ADC
Akustyczny czujnik prędkości przepływu do wód płytkich przeznaczony jest do pomiarów punktowych prędkości wody w strumieniach, rzekach, dopływach rzek, potokach oraz kanałach otwartych. Przy użyciu nowoczesnych, najaktualniejszych, akustycznych metod pomiaru, w połączeniu z zastosowaniem najwyższej jakości procesora sygnałowego, urządzenie umożliwia uzyskanie bardzo dokładnych oraz wiarygodnych wyników. Aparat wyposażono w czujnik ciśnienia, który zapewnia automatyczne odczyty głębokości – to pozwala ustawić przyrząd w prawidłowej pozycji. Wyniki wskazywane są bezpośrednio po zakończeniu pomiaru hydrometrycznego na wyświetlaczu.

Prądomierz akustyczny do wód płytkich oraz głębokich
Urządzenie działa na zasadzie odbicia fali ultradźwiękowej od dna rzeki lub zbiornika wodnego. Podczas pomiaru na zwierciadle wody (lub w jego pobliżu) umieszcza się źródło i odbiornik dźwięku. Nadajnik echosondy wysyła fale akustyczne w postaci krótkich impulsów, które dochodzą do dna, odbijają się od niego i powracają do odbiornika. Na postawie czasu przebiegu fal określa się głębokość wody oraz przepływ w jednostce czasu.

Pomiary hydrometryczne podczas wezbrania – case study

W 2020 roku, w czasie październikowego wezbrania, obszar południowej Polski znajdował się w zasięgu aktywnego „niżu genueńskiego”. Cały wschód regionu oraz Małopolskę i Górny Śląsk obejmowała strefa opadów deszczu, przy czym na Górnym Śląsku były to opady intensywne. Strefa z deszczem przemieszczała się w kierunku zachodnim, a dobowa suma opadów z dnia 13 października wyniosła – w zlewni Małej Wisły od 17,6 mm do 38,4 mm, w zlewni Przemszy od 16,7 mm do 24,7 mm. Na rzekach województwa śląskiego i małopolskiego poziom wody kształtował się w strefie stanów wysokich, przy przekroczonych stanach ostrzegawczych, a punktowo również alarmowych. Na podstawie analizy sytuacji hydrologiczno-meteorologicznej oraz krzywych natężenia przepływu do pomiarów w tym dniu wytypowano trzy stacje:

• Podkępie (rz. Wapienica) – z przekroczonym stanem ostrzegawczym i dobowym przyrostem stanu wody +81 cm.
• Czechowice Bestwina (rz. Biała) – z przekroczonym stanem ostrzegawczym i dobowym przyrostem stanu wody +79 cm.
• Mikuszowice (rz. Biała) – bez przekroczeń z dobowym przyrostem stanu wody +35 cm i tendencją wzrostową, z koniecznością wykonania pomiaru w strefie powyżej 140 cm (stan wody 13.10 godz. 6 UTC wynosił 159 cm).

14 października deszcz w wielu miejscach był nadal umiarkowany bądź silny. Dobowe sumy opadów w zlewni Małej Wisły kształtowały się w przedziale 28,5-52,5 mm, w zlewni Przemszy na poziomie 30,6-42,4 mm. Obserwowano dalsze wzrosty stanów wody z przekroczeniami stanów alarmowych i ostrzegawczych. Tego dnia do pomiarów wytypowano sześć stacji:

• Brynica (rz. Brynica) – z przekroczonym stanem alarmowym i dobowym przyrostem stanu wody +71 cm.
• Piwoń (rz. Przemsza) – z przekroczonym stanem alarmowym i dobowym przyrostem stanu wody +172 cm.
• Kuźnica Sulikowska (rz. Mitręga) – z przekroczonym stanem ostrzegawczym i dobowym przyrostem stanu wody +97 cm.
• Mizerów Borki (rz. Pszczynka) – z przekroczonym stanem alarmowym i dobowym przyrostem stanu wody +45 cm.
• Pszczyna (rz. Pszczynka) – z przekroczonym stanem alarmowym i dobowym przyrostem stanu wody +59 cm.
• Bojszowy (rz. Gostynia) – z przekroczonym stanem ostrzegawczym i dobowym przyrostem stanu wody +61 cm.

Przekroczone stany ostrzegawcze i alarmowe na rzekach zlewni Małej Wisły i Przemszy w dniu 14.10.2020 roku [IMGW-PIB, Katowice].

15 października sumy opadów w zlewni Małej Wisły i Przemszy nie przekraczały 13,7 mm. Na rzekach województwa obserwowano wahania stanów wody i lokalnie wzrosty. Na stacjach w zlewni Małej Wisły i Przemszy nie było konieczności wykonania pomiarów. Tego dnia ekipy terenowe z Katowic pracowały na stacjach zlokalizowanych na rzekach: Warta, Liswarta, Mała Panew i Stoła.

Pierwszym krokiem przy planowaniu pomiarów w trakcie wezbrania jest dopasowanie składu osobowego oraz wyposażenia zespołów, tak aby dostępny sprzęt umożliwiał wykonanie pomiaru przepływu w profilu wyznaczonym na dany dzień. Propozycje wyjazdu w czasie alertu powodziowego analizowane są codziennie w trakcie porannego zebrania z pracownikami BPH. Na podstawie aktualnych informacji o stanie wody na rzekach podejmowane są decyzje o kierunkach wyjazdu.

Wezbranie w październiku 2020 r. zbiegło się w czasie z pandemią COVID-19, co niosło za sobą określone utrudnienia. Zachowując reżim sanitarny ekipom hydrologów udało się wykonać w trakcie dwóch dni dziesięć pomiarów hydrometrycznych przy stanach alarmowych.

Termin	Wodowskaz	Stan wody H [cm]	Przepływ Q [m3/s]
13.10.2020	Podkępie, rzeka Wapiennica	356	25,6
	Czechowice Bestwina, rzeka Biała	212	36,6
	Mikuszowice, rzeka Biała	162	7,97
14.10.2020	Mizerów Borki, rzeka Pszczynka	320	5,45
	Pszczyna, rzeka Pszczynka	367	11,7
	Bojszowy, rzeka Gostynia	212	18,4
	Bieruń Stary, rzeka Mleczna	104	8,15
	Kuźnica Sulikowska, rzeka Mitręga	242	5,85
	Piwoń, rzeka Przemsza	351	12,5
	Brynica, rzeka Brynica	241	2,96

W ostatnich latach obserwujemy zwiększenie natężenia i częstotliwości występowania groźnych zjawisk hydrologicznych. Nowoczesne technologie i sprawnie działająca sieć pomiarowo-obserwacyjna pozwalają na bieżąco śledzić przebieg zjawisk ekstremalnych, takich jak gwałtowne ulewy czy powodzie. Niemniej do prawidłowej oceny pełnego obrazu zagrożenia niezbędna jest wiedza i doświadczenie ludzi pracujących w terenie. Przykład działań z października 2020 roku pokazuje, jak istotna jest współpraca regionalnych biur prognoz hydrologicznych IMGW z hydrologami „pomiarowcami”. Szkolenia pracowników, coraz lepszej jakości sprzęt oraz nowoczesne rozwiązania organizacyjne pomagając nam tworzyć najlepszy produkt finalny, w postaci krzywej konsumcyjnej dla profili wodowskazowych, a co za tym idzie jeszcze lepiej szacować wartości fali wezbraniowych na terenie całej Polski.

[i] Sondy drążkowe to sztywne drążki metalowe, wykonane ze stali lub aluminium, o przekroju kolistym. Do pomiarów hydrometrycznych stosuje się sondy z podziałem 10-centymetrowym.

---

Zdjęcie główne:  Peter Oslanec | Unsplash

Tagi: imgw, inżynieria, monitoring, pomiary, powodzie Last modified: 29 sierpnia 2023