Podstawą przeprowadzenia miarodajnych obliczeń hydrologicznych zlewni, szczególnie niekontrolowanych, jest prawidłowy opis ilościowy rozpatrywanego obszaru rozumiany jako zbiór cech (właściwości) fizycznogeograficznych obejmujący następujące miary [1]:
- geometryczne,
- hipsometryczne,
- hydrograficzne,
- glebowo-litologiczne,
- pokrycia terenu.
Ich właściwa interpretacja pozwala nie tylko rozwiązywać równania do obliczania przepływów charakterystycznych, maksymalnych o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia, minimalnych o zadanym prawdopodobieństwie nie osiągnięcia, czy innych, lecz znacząco ułatwia wybór miarodajnych wskaźników, współczynników, które niejednokrotnie rozstrzygają o ostatecznym wyniku obliczeń.
Poniżej przedstawiono najczęściej stosowane charakterystyki fizycznogeograficzne zlewni oraz ich miary (opis ilościowy).
Do grupy charakterystyk geometrycznych zlewni zalicza się:
- powierzchnię (A, km2),
- długość (L, km),
- szerokość (B, km),
- obwód, długość granicy zlewni (P, km).
- formy (Cf, -),
- zwartości (Cz, -),
- kolistości (Ck, -),
- wydłużenia (Cw, -).
Z punktu widzenia natężenia przepływu, powierzchnia zlewni (A) ma kluczowe znaczenie, bowiem warunkuje jego wielkość. Przyrost A zwiększa Q i odwrotnie. Ta generalna zasada ma jednak kilka wyjątków. Przepływy wezbraniowe, szczególnie pozakorytowe, niekoniecznie przyrastają wraz z powierzchnią zlewni. Czynnikiem modyfikującym bywają też urządzenia hydrotechniczne. W przypadku zlewni o złożonym systemie zasilania podziemnego (drenaż więcej niż jednej warstwy wodonośnej, rozbieżność granicy zlewni topograficznej i podziemnej itp.), również przepływy średnie niskie i niskie zmieniają się niezależnie od powierzchni zlewni.
Długość i szerokość zlewni (L, B) wpływają z kolei na kształt oraz wysokość fali wezbraniowej. Długie i wąskie zlewnie generują fale długie, ale niższe od występujących w zlewniach krótszych. Spływ krótkimi stokami w dolnej i środkowej części zlewni dociera do koryta zanim znajdzie się tam kulminacja fali wezbraniowej z górnej części zlewni [2].
Kształt zlewni również przekłada się na odpływ wezbraniowy. Największe przepływy, przy porównywalnych powierzchniach, występują w zlewniach o kształcie trójkąta równobocznego, którego podstawa znajduje się w rejonie ujścia, a wierzchołek w pobliżu źródła [2]. Częściej jednak można spotkać zlewnie zwężające się ku ujściu, niż zwiększające swoją szerokość.
Wniosków w zakresie funkcjonowania zlewni dostarczają także wskaźniki kształtu zlewni. Wskaźnik formy (Cf) obliczany jest jako iloraz długości zlewni oraz jej powierzchni, albo jako iloraz szerokości i długości zlewni. Drugi wariant lepiej oddaje ideę wskaźnika - im mniejsza jego wartość, tym bardziej wydłużony kształt. Cf = 1 charakteryzuje kwadrat, natomiast wartości dążące do zera opisują np. prostokąt - punktem odniesienia do Cf jest bowiem pole kwadratu.
Pozostałe wskaźniki, tj. zwartości, kolistości i wydłużenia odniesione są do pola koła, dla którego przyjmują wartość 1. Wskaźnik zwartości (Cz) informuje o stopniu rozwinięcia granicy zlewni. Przyjmuje się, że jeśli długość granicy zlewni jest równa obwodowi koła (długości okręgu) o tej samej powierzchni, wówczas Cz = 1. Taka hipotetyczna sytuacja praktycznie nie występuje. Wskaźnik zwartości jest na ogół zdecydowanie większy. Duże wartości są charakterystyczne dla terenów o dobrze rozwiniętej rzeźbie, skomplikowanych stosunkach hydrograficznych.
Wskaźniki kolistości (Ck) i wydłużenia (Cw) porównują kształt zlewni do koła. Zlewnie zbliżone do prostokąta, czy trójkąta mają wartości mniejsze od 1, natomiast zbliżone do kwadratu wartości równe odpowiednio: 0,79 i 1,13.
Warunki hipsometryczne w zlewni opisuje się za pomocą:
- wysokości minimalnej (Hmin, m),
- wysokości maksymalnej (Hmax, m),
- wysokości średniej (Hśred, m),
- maksymalnej wysokości względnej (dH, m),
- średniego nachylania zlewni (S, %, promile).
Poziomem odniesienia dla wysokości minimalnej, średniej i maksymalnej jest wysokość zwierciadła wody w miejscowości Kronsztad (m n. Kr.). Zapis m n.p.m. i m n.Kr. są tożsame, przynajmniej w Polsce, natomiast lepiej stosować drugą konwencję (m n.Kr.), ponieważ jest ona precyzyjniejsza - w Europie obowiązuje jeszcze m.in. poziom morza w Amsterdamie, który za kilka lat, najprawdopodobniej, zostanie wdrożony również w Polsce.
Często stosowaną miarą hipsometryczną jest deniwelacja. Powszechnie uważa się ją za różnicę między wysokością maksymalną a minimalną w zlewni. Według mnie jednak deniwelacja to różnica wysokości między szczytem a podstawą danej formy geomorfologicznej, a nie całego obszaru, dla którego wyznaczam maksymalną wysokość względną.
Średnie nachylenie zlewni obliczane jest kilkoma sposobami, jako:
- iloraz maksymalnej wysokości względnej i długości zlewni,
- iloraz maksymalnej wysokości względnej i pierwiastka z powierzchni zlewni,
- iloraz maksymalnej wysokości względnej i długości cieku wraz jego przedłużeniem do granicy zlewni pomniejszony o 40% [3].
Wysokości maksymalna i minimalna określają z jednej strony piętro hipsometryczne, a więc pośrednio warunkują wysokość opadów atmosferycznych i tym samym wielkość zasilania, z drugiej strony, jako różnica, wpływają na średni spadek zlewni, a przez to na prędkość odpływu wody, czas odpływu, czas koncentracji itd. Zlewnie o małej wysokości względnej, położone w nizinnym piętrze hipsometrycznym, z małą sumą roczną opadów atmosferycznych charakteryzują się niskim wskaźnikiem odpływu, a przy małym nachyleniu również powolnym drenażem. Zlewnie górskie cechuje gwałtowny odpływ (krótkie fale wezbraniowe), wysokie przepływy średnie i maksymalne roczne.
O czasie odpływu wody ze zlewni, prędkości przepływu, czasie koncentracji, szybkości reakcji zlewni na opad decydują też wskaźniki hydrograficzne, w tym:
- rozwinięcie i krętość rzeki,
- średni spadek cieku,
- gęstość sieci hydrograficznej,
- średnia odległość od wody (mapa ekwidystant),
- wskaźniki jeziorności, zabagnienia.
W końcu odpływ zmienia się zależnie od litologii podłoża oraz pokrycia terenu. Gleby wykształcone na osadach żwirowych, piaszczystych posiadają mniejsze współczynniki odpływu (duże zdolności infiltracyjne), niż gleby gliniaste, czy skały bez pokrywy glebowej. Ma na to znaczenie dla rozdziału wody na spływ powierzchniowy i odpływ podziemny oraz na wielkość przepływów maksymalnych rocznych, szczególnie opadowych. Duży udział powierzchni leśnej wpływa hamująco na proces odpływu, zmniejsza przepływy maksymalne roczne.
_______________________
[1] Bajkiewicz-Grabowska E. (2012): Przewodnik do ćwiczeń z hydrologii ogólnej. PWN, Warszawa.
[2] Bednarczyk S., Jarzębińska T., Mackiewicz S., Wołoszyn E. (2006): Vademecum ochrony przeciwpowodziowej. KZGW, Gdańsk.
[3] Metodyka obliczania przepływów i opadów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia dla zlewni kontrolowanych i niekontrolowanych oraz identyfikacji modeli transformacji opadu w odpływ. Raport końcowy, Stowarzyszenie Hydrologów Polski, Warszawa 2009.
