Προχωρηµένη Υδρολογία

Transcript

1 Προχωρηµένη Υδρολογία ιάλεξη: Υπόγεια Νερά και Μοντέλα Προσοµοίωσης Εφαρµογή MODFLOW Koσσίδα Μάγκυ Ερευνήτρια Εργ. Υδρολογίας & Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων ΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Γενικά στοιχεία Υδρολογικός κύκλος Ισοζύγιο Υπόγειοι υδροφορείς Νόµος Darcy ιείσδυση Θαλασσινού Νερού Μοντέλα Προσοµοίωσης Εφαρµογές MODFLOW παράδειγµα hands on - tutorial 1

2 ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ ΣΕ ΝΟΥΜΕΡΑ Ποσότητα Γλυκού νερού στη Γη 10 6 mio m 3 (3.46%) % 0.35 % 2,12 1, ,9 Παγετώνες, µόνιµα χιόνια Υπόγεια νερά και εδαφική υγρασία Λίµνες και έλη Ατµοσφαιρικό νερό Ποταµοί Βιολογικό νερό Ένας άνθρωπος χρειάζεται 3 lt νερό/ηµέρα Ένα καζανάκι χρησιµοποιεί 19 lt νερό/φορά Το 1995 οι ΗΠΑ αντλούσαν 290 δισεκ. lt/ηµέρα υπόγειο νερό για χρήση (περίπου 1,300 lt /άτοµο/ηµέρα) ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ εν είναι απαραίτητη η κατασκευή ταµιευτήρων (υδροφορείς = ταµιευτήρες) Απευθείας εκµετάλλευση, αποφυγή κόστους Αυτονοµία γεωτρήσεων, σταδιακή ανάπτυξη του συστήµατος εκµετάλλευσης Καλύτερη ποιότητα από τα επιφανειακά ΥΣΚΟΛΙΕΣ Ανοµοιοµορφία και ανισοτροπία των χαρακτηριστικών των υδροφορέων Ελλιπής γνώση της γεωµετρίας και των χαρακτηριστικών των υδροφορέων Συχνά σε µεγάλο βάθος, οικονοµική επιβάρυνση Ροή σε δύο ή τρεις χωρικές διαστάσεις ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ Υφαλµύριση παράκτιων περιοχών Καθίζηση εδαφών (πτώση στάθµης) σχ.κώνος Υπεράντληση, αστοχία γειτονικών γεωτρήσεων (διοικητικά όρια) Μείωση της επιφανειακής τροφοδοσίας, διατάραξη του κύκλου του νερού (οικοσυστήµατα) 2

3 Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ - ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΝ = ΟUT P, Q µπορούν να µετρηθούν απ έυθείας και χρησιµοποιούνται για να ρυθµιστούν µοντέλα εξατµισοδιαπνοής και υπόγειας ροής ΥΠΟΓΕΙΟΙ Υ ΡΟΦΟΡΕΙΣ Υδροφορέας = γεωλογικός σχηµατισµός που επιτρέπει τη διέλευση και αποθήκευση νερού µέσα στη µάζα του. Εδαφικοί Τύποι Χαλαρά εδάφη Μεγάλα, ανισοµερή τεµάχη Χαµηλός λόγος επιφάνεια/βάρος Υψηλή υδραυλική αγωγιµότητα (Κ) Συνεκτικά εδάφη Μικροί κόκκοι Υψηλός λόγος επιφάνεια/βάρος Επιφανειακές δυνάµεις συνοχής Χαµηλή υδραυλική αγωγιµότητα (Κ) 3

4 Ορισµοί Κορεµένη ζώνη (saturated) Ακόρεστη ζώνη (unsaturated) Υδροφόρος ορίζοντας (water table) Το άνω µέρος της κορεσµένης ζώνης Τα επιφανειακά νερά είναι εκδηλώσεις του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα (εκτεθειµένος λόγω τοπογραφίας) Εδαφικές Παράµετροι Επιφάνεια (F) Συνολικός όγκος (Vt) Ογκος στερεών (Vs) ( z) Όγκος διακένων (Vv) Ταπείνωση φρεάτιου ορίζοντα Όγκος νερού που απελευθερώνεται ( Vw) βαρυτικό νερό Όγκος νερού που κατακρατείται αντιστεκόµενο στη βαρύτητα ( Vr) νερό κατακράτησης Βαρυτικό νερό: Είναι το νερό που υπακούει στους νόµους της βαρύτητας και παίρνει µέρος στην υπόγεια κυκλοφορία. Το νερό αυτό µπορεί να ληφθεί άµεσα ή έµµεσα. Νερό κατακράτησης 4

5 Εδαφικές Παράµετροι Πορώδες n = Vv/Vt (n <1) είκτης πόρων e = Vv/Vs (µπορεί e>1 π.χ. mexican clay) Eιδική Απόδοση Sγ = Vw/ (F* z) [όγκος βαρυτικού νερού/ όγκο σχηµατισµού] Ειδική κατακράτιση Sr = Vr/ (F* z) [όγκος νερού κατακράτησης/ όγκο σχηµ.] n = Sr + Sy Ταξινόµηση Φρεάτιος Υδροφορέας (ή υδροφορέας µε ελεύθερη επιφάνεια) κάτω όριο = αδιαπέρατο στρώµα άνω όριο = ελεύθερη επιφάνεια υπόγειου νερού τροφοδοτούνται απευθείας µε διηθούµενο νερό από την επιφάνεια οριζόντια ροή δυνατότητα µεταβολής του πάχους του υδροφορέα Περιορισµένος Υδροφορέας (ή Υπό πίεση) όρια = αδιαπέρατοι γεωλογικοί σχηµατισµοί σε πηγάδι θα παρατηρήσουµε τη στάθµη (πιεζοµετρική επιφάνεια) Αρτεσιανός = πιεζοµετρική επιφάνεια ψηλότερα από τη στάθµη του εδάφους, ροή νερού λόγω πίεσης χωρίς αντλητικό σύστηµα 5

6 ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΤΗΤΑ S = V/(Α* h)=sy Μοναδιαία επιφάνεια υδροφορέα (Α) ΦΡΕΑΤΙΟΣ Υ ΡΟΦΟΡΕΑΣ Έδαφος ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΟΤΗΤΑ Τ (m 2 /s) =Κ*b Μεταβλητό? Μοναδιαία διαφορά στάθµης ( h) Υδραυλική αγωγιµότητα (Κ) Μοναδιαίος όγκος υδροφορέα (V) Κ Ροή V A h b Πάχος υδροφορέα (b) V Όγκος νερού που αποµακρύνεται (προστίθεται) από µοναδιαία επιφάνεια και ανά µοναδιαία πτώση (αύξηση) της στάθµης ( V) Μοναδιαία διαφορά πιεζοµετρικού φορτίου ( φ) Πιεζοµετρική επιφάνεια φ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΣ Υ ΡΟΦΟΡΕΑΣ ΕΙ ΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Ss (m -1 )= V/(V* φ) Μοναδιαία επιφάνεια υδροφορέα (Α) Έδαφος ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΤΗΤΑ S= V/(A* φ)=ss*b ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΟΤΗΤΑ Τ (m 2 /s) =Κ*b Υδραυλική αγωγιµότητα (Κ) Κ Ροή A b Πάχος υδροφορέα (b) Μοναδιαίος όγκος υδροφορέα (V) V V Όγκος νερού που αποµακρύνεται (προστίθεται) από µοναδιαία επιφάνεια και από µοναδιαία διαφορά πιεζοµετρικού φορτίου ( V) 6

7 Νόµος Darcy Q=K*A*( h/l) Q παροχή (m 3 /s) K υδραυλική αγωγιµότητα (m/s) L απόσταση πιεζοµέτρων (m) h διαφορά πιεζοµέτρικού ύψους (m) A εµβαδόν επιφάνειας αναφοράς (m 2 ) L h A Q ίκτυα Ροής 2D απεικόνιση της κατανοµής του υδραυλικού φορτίου και της ροής του υπόγειου νερού σε κατάσταση ισορροπίας Κάναβος από γραµµές ροής και ισοπιεζοµετρικές Ισοπιεζοµετρικές = γραµµές ίσου υδραυλικού φορτίου Ροής = οδοί διέλευσης του νερού b w Αδιαπέρατο στρώµα Γραµµές ροής Περιορισµένος Υδροφορέας s = απόσταση µεταξύ 2 διαδοχικών ισοπιεζοµετρικών w = απόσταση µεταξύ 2 διαδοχικών γραµµών ροής b = n * w L = n * s s L Ισοπιεζοµετρικές γραµµές 7

8 Χρησιµότητα Υπολογισµός της ποσότητας του νερού Υπολογισµός Κ, Τα Πρόβλεψη της πορείας και ταχύτητας ροής Υπολογισµόςτουχρόνουδιαδροµής Q = K * i * A = K * h/ s * (b* w) = K * h * b *( w/ s) q = Q/ w = K * h * (p / f) q = Q per unit width K = υδραυλική αγωγιµότητα h = συνολική πτώση υδραυλικού φορτίου (Σ w) p = αριθµός διαδρόµων ροής (Σ s) f = αριθµός διαφορών/πτώσεων υδραυλικού φορτίου p / f Αλληλεπίδραση Φρέσκου/Θαλασσινού Νερού σε Παράκτιους Υδροφορείς Το Φρέσκο και το Θαλασσινό Νερό είναι αναµίξιµα υγρά διαφορετικής πυκνότητας Μεταβατική Ζώνη: Μίξη ιασπορά Μοριακή διάχυση Biscayne Bay, Miami, FL Chemical Properties: Transition Zone Freshwater Brackish Seawater Brine TDS (mg/l) < 1,000 1,000-36,000 36,000 > 36,000 Chloride (mg/l) < ,000 19,000 EPA Standards Σχολή Πολιτικών for Freshwater: Μηχανικών TDS = 500 Εθνικό ppm,, Chloride Μετσόβιο = 250 Πολυτεχνείο ppm 19,000 8

9 Προσοµοίωση της Μεταβατικής Ζώνης ιαφορετικές Προσεγγίσεις: Σαφής ιεπαφή (µη αναµίξιµα υγρά) Μεταβατική Ζώνη ιάχυσης (αναµίξιµα υγρά) Βάθος ιεπαφής βάθος διεπαφής z = 40 h f (Ghyben-Herzberg) αντιπροσωπεύει το 50% Αλατότητας 3 ρ f 1.0g / cm 40 είναι η αναλογία: = = 40 3 ρ ρ ( ) g / cm s f πάχος φρέσκου νερού: b = z + h f Ορισµός: Μετανάστευση του πυκνότερου Θαλασσινού νερού στον υπόγειο υδροφορέα Πλευρική κίνηση Εξάπλωση Θαλασσινού νερού Κάθετη ανοδική κίνηση ιείσδυση Θαλασσινού νερού Συνέπειες: Ο φρέσκος υδροφορέας γίνεται υφάλµυρος Bιοποικιλότητα Μόλυνση & Εγκατάλειψη των παράκτιων πηγαδιών τροφοδοσίας Αιτίες: ιείσδυση Θαλασσινού Νερού ( ΘΝ) Γεωλογία (υψηλή διαπερατότητα εδαφών, παγιδευµένοι φακοί άλατος, απουσία αδιαπέρατης ζώνης) Παράκτια Άντληση Καταστροφή φυσικών εµποδίων (κανάλια αποστράγγισης, παλιρροιακοί κολπίσκοι ) Υποεπιφανειακά ανθρώπινα αλατούχα απόβλητα Άνοδος της Στάθµης της Θάλασσας 9

10 Εµφάνιση & Παραδείγµατα ΘΝ: Μεσόγειος, ακτή Ατλαντικού, Κίνα Atlantic Coast Η Πληθυσµιακή αύξηση θα εντείνει τις πιέσεις στους υπόγειου πόρους και το µέγεθος της ΘΝ Η Αύξηση της Στάθµης της Θάλασσας θα επιφέρει τα ίδια αποτελέσµατα Lower Floridian Aquifer Upconing on Cape Cod Potomoc Aquifer, L.Island-N.Carolina El.Conductivity Profile (ms) Παρακολούθηση: Γεωφυσικές Μέθοδοι Ηλεκτροµαγνητικές (Time Domain Electromagnetic Sounding) Σεισµική Ανάκλαση (Seismic Reflection) Γεωχηµικές Μέθοδοι ΘΝ Αποκατάσταση: Κλασσικές Μέθοδοι Περιορισµός Άντλησης Μετοίκιση των παράκτιων φρεατίων Τεχνητός εµπλουτισµός υδροφορέα Άντληση Υφαλµυριµένου νερού Καινοτόµες Τεχνολογίες Συστήµατα αποθήκευσης και αποκατάστασης υδροφόρων στρωµάτων ASR Αφαλάτωηση (Ανάστροφη Όσµωση) Injection/Extraction Well 10

11 Moντέλα Προσοµοίωσης Κατανόηση της συµπεριφοράς των υπόγειων συστηµάτων Πρόβλεψη για τη µελλοντική κατάσταση υπόγειων συστηµάτων Ανάλυση υποθετικών σεναρίων ροής Τύποι Φυσικά (π.χ. δοχείο µε άµµο) Αναλογικά (ακριβά, µη ευέλικτα) Μαθηµατικά (βασικές εξισώσεις, εξίσωση ροής, νόµος Darcy, γνώση αρχικών και οριακών συνθηκών) Αριθµητικά (πολύπλοκα συστήµατα, πολλές παράµετροι) Στοχαστικά/στατιστικά ιαδικασία Input Calibration Verification Field verification Τύποι Finite Difference (block centered, mesh centered) Finite Element Finite Volume MODFLOW Feflow MT3DMA 11