ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Τομέας Υδατικών Πόρων ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ Νίκος Μαμάσης, Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ Εικόνα εξωφύλλου Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2009

4 ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΕΚΑΝΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΒΑΣΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΛΛΕΙΜΑΤΩΝ 4

5 ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ (/3) Εικόνα. Κορυφογραμμή-Υδροκρίτης Photo by Sandra Baki 5

6 ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ (2/3) ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΣ ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ ΥΠΟΓΕΙΟΣ ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ Φρεάτιος ορίζοντας Σχήμα. Το υψηλότερο σημείο του φρεάτιου υδροφορέα δεν ταυτίζεται με τον επιφανειακό υδροκρίτη 6

7 ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ (3/3) ΥΠΟΓΕΙΟΣ ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΣ ΥΔΡΟΚΡΙΤΗΣ Αδιαπέρατο στρώμα Σχήμα 2. Οι γεωλογικοί σχηματισμοί δημιουργούν συνθήκες τέτοιες ώστε ο υπόγειος υδροφορέας να απορρέει σε γειτονική λεκάνη 7

8 ΕΞΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΛΕΚΑΝΗΣ ΜΕ ΣΓΠ > 2400 Εικόνα 2. Θέση λεκάνης Μεσοχωρίου Εικόνα 3. Κάναβος υψομέτρου (m) 8

9 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΕΚΑΝΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Κατάταξη H λεκάνη απορροής, ως σύστημα μετασχηματισμού των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων σε απορροή, παρουσιάζει ορισμένα ειδικά φυσικά γνωρίσματα που επηρεάζουν σημαντικά, τόσο τη διαδικασία του μετασχηματισμού όσο και το τελικό της αποτέλεσμα, δηλαδή το υδρογράφημα της απορροής. Τα γνωρίσματα αυτά ονομάζονται φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής και μπορούν να καταταγούν στις ακόλουθες τρεις κατηγορίες: Mορφολογικά χαρακτηριστικά(μορφή, ανάγλυφο, υδρογραφικό δίκτυο) Εδαφολογικά χαρακτηριστικά(μηχανικές ιδιότητες, χημική σύσταση) Φυτοκάλυψη(είδη χλωρίδας και χωρική διάταξή της) Τα παραπάνω χαρακτηριστικά αποτελούν χωρικά κατανεμημένη πληροφορία (μεταβάλλονται από θέση σε θέση) αλλά στην πράξη γίνεται συμπυκνωμένη περιγραφή τους χρησιμοποιώντας δείκτες και διαγράμματα. 9

10 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Γεωμετρία Ο υδροκρίτης είναι το όριο, το οποίο ορίζει την έκταση που καταλαμβάνει η λεκάνη απορροής ανάντη μιας δεδομένης διατομής Α υδατορεύματος. Το κυριότερο γεωμετρικό χαρακτηριστικό της λεκάνης απορροής είναι το εμβαδό της S A. Αν και το σχήμα μιας λεκάνης απορροής είναι πάντα πολύπλοκο, έχουν προταθεί διάφοροι αδιάστατοι δείκτες που κωδικοποιούν το σχήμα της λεκάνης Ο δείκτης κυκλικότητας ορίζεται ως ο λόγος της επιφάνειας της λεκάνης προς την επιφάνεια κύκλου με περίμετροίδιαμεαυτήτηςλεκάνης(p Α ): E c S A PA 4π = 2 Ο δείκτης συμπαγούς ορίζεται ως ο λόγος της περιμέτρου της λεκάνης προς την περίμετρο κύκλου με επιφάνεια ίδια με αυτή της λεκάνης: E ' c PA = = 4πS A E c Ο δείκτης επιμήκυνσης ορίζεται ως ο λόγος της πλευράς ενός τετραγώνου με επιφάνεια ίδια με αυτή της λεκάνης, προς ένα χαρακτηριστικό μήκος της λεκάνης L S A A (π.χ. το μήκος από την έξοδο μέχρι το πιο E L = απομακρυσμένο σημείο της λεκάνης): L 0 A

11 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Ανάγλυφο Υψομετρική(ή υψογραφική) καμπύλη της λεκάνης Η καμπύλη που σε κάθε δεδομένη τιμή του τοπογραφικού υψομέτρου z αντιστοιχίζει το ποσοστό της επιφάνειας της λεκάνης F(z) που έχει υψόμετρο μεγαλύτερο ή ίσο της δεδομένης τιμής Μέγιστο, ελάχιστο(στην έξοδο) και μέσο υψόμετρο λεκάνης Ο υπολογισμός του μέσου υψομέτρου της λεκάνης γίνεται με βάση την υψομετρική καμπύλη F(z) χρησιμοποιώντας τη σχέση: zr + zr zs = zdf z ( ) Fr 2 όπου το πεδίο μεταβολής του F έχει υποδιαιρεθεί σε υποδιαστήματα μήκους ΔF r (όχι κατ ανάγκη ίσα, αλλά με άθροισμα ίσο με ) και οι τιμές του z που αντιστοιχούνσταάκρατουυποδιαστήματοςδf r είναιz r,καιz r. Μέση κλίση λεκάνης Υπολογίζεται από τη σχέση i s = ids i S S A S A όπου η συνολική έκταση της λεκάνης έχει υποδιαιρεθεί σε τμήματα ΔS r που το καθέναέχειπερίπουσταθερήκλίσηi r. A r r S 0 r r

12 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Διάγραμμα. Υψομετρική (ή υψογραφική) καμπύλη της λεκάνης 2

13 ΕΞΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΣΓΠ Διάσταση: 250 m Αριθμός κυττάρων: 9988 Εικόνα 4. Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους 3

14 ΕΞΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΣΓΠ Εικόνα 5. Κάνναβος διεύθυνσης ροής 4

15 ΕΞΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΣΓΠ Εικόνα 6. Κάνναβος συγκέντρωσης ροής 5

16 ΕΞΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΜΕ ΣΓΠ Κατώφλι κυττάρων: 30 Εικόνα 7. Αναπαράσταση υδρογραφικού δικτύου 6

17 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Ταξινόμηση υδρογραφικού δικτύου 4 Β Σαΐτα ρ. 4 2 Βαρδου 3 2 σόρεμα ρ Υδροκρίτης Κύριο υδατόρευμα Λοιπό υδρογραφικό δίκτυο Εικόνα 8. Σύστημα ταξινόμησης Horton (945) και Strahler (964) Λόγος διακλαδώσεων(horton, 945). Ο αντίστοιχος εμπειρικός νόμος,γνωστός ως νόμος του Horton για τον αριθμό υδατορευμάτων Ν i, των κλάδων δεδομένης τάξης i: Νόμος του Horton για τα μήκη υδατορευμάτων L i, των κλάδων δεδομένης τάξης i: Νόμος των επιφανειών των υδατορευμάτων( Schumm, 956) Α i, των κλάδων δεδομένης τάξης i: km N N i i+ = R, i=, 2,..., I B Li + RL i I L =, =, 2,..., i Ai + R A i I A =, =, 2,..., i

18 ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Πυκνότητα υδρογραφικού δικτύου Η πυκνότητα του υδρογραφικού δικτύου D A, ορίζεται ως ο λόγος του συνολικού μήκουςτουυδρογραφικούδικτύουσl A προςτηνεπιφάνειατηςλεκάνηςs A : L καιέχειδιαστάσεις[l A ]. DA = S A X Η μέση απόσταση από τον υδροκρίτη μέχρι το υδατόρευμα είναι: A = 2D A Η μέση διαδρομή μιας σταγόνας σε συνθήκες επίγειας ροής, μέχρι να φτάσει στο υδρογραφικό δίκτυο είναι: X A YA = = 2 4D Μια συγκεκριμένη διαδρομή κατά μήκος του υδατορεύματος, η οποία καταλήγει στην έξοδο της λεκάνης (συνήθως ο κλάδος με μεγαλύτερη τάξη και μεγαλύτερο μήκος), χαρακτηρίζεται ως κύριο υδατόρευμα ή κύρια μισγάγγεια της λεκάνης. Το μήκος του κύριου υδατορεύματος αποτελεί από τα βασικότερα φυσιογραφικά χαρακτηριστικά της λεκάνης και συσχετίζεται εμπειρικά με το χρόνο συγκέντρωσης της λεκάνης. A

19 Ποταμός ΟΙ ΜΕΓΑΛΥΤΕΡΟΙ ΠΟΤΑΜΟΙ ΤΗΣ ΓΗΣ Ήπειρος Έκταση, Μήκος, 0 3 km 2 km Μέση παροχή, m 3 /s Μέσος ετήσιος όγκος απορροής, km 3 Μέσο ετήσιο ύψος απορροής, mm Συντελεστής απορροής. Amazon N. Αμ Congo Αφρική Yangtzekiang Ασία Orinoco Ν. Αμ Brahmaputra Ασία La Plata Ν. Αμ Yenesei Ασία Mississippi Β. Αμ Lena Ασία Mekong Ασία Ganges Ασία Irrawaddy Ασία Ob Ασία Siking Ασία Amur Ασία St. Lawrence Β. Αμ Σύνολο ή μέση τιμή Αχελώος Σημείωση: Ο Νείλος (που δεν περιλαμβάνεται στους 6 μεγαλύτερους σε παροχή ποταμούς) έχει μήκος 652 km. 9

20 ΕΔΑΦΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Το είδος των εδαφών της λεκάνης απορροής επηρεάζει ιδιαίτερα τα υδρολογικά ελλείμματα, άρα και την επιφανειακή απορροή Οι μηχανικές ιδιότητές των εδαφών, καθορίζουν το ρυθμό της διήθησης και κατά συνέπεια επηρεάζουν άμεσα την απορροή Η χημική σύσταση των εδαφών, σε συνδυασμό με τις μηχανικές ιδιότητές τους, καθορίζει τη φυτοκάλυψη και τους επικρατούντες τύπους χλωρίδας, και συνεπώς επηρεάζει αποφασιστικά την επιφανειακή απορροή 20

21 ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΦΥΤΟΚΑΛΥΨΗΣ μείωση του όγκου απορροής κατά την ποσότητα που κατακρατείται από τη χλωρίδα (και τελικώς εξατμίζεται ή απορροφάται απ αυτή) χρονική υστέρηση της απορροής (συντείνει εξ άλλου και η αύξηση της τραχύτητας των εδαφών, που προκαλείται από τη φυτοκάλυψη) αύξηση της διηθητικής ικανότητα του εδάφους (από τη δράση των ριζών αλλά και των φυλλωμάτων που πέφτουν) συγκράτηση του εδαφικού υλικού και μείωση της διάβρωσης της λεκάνης (εφόσον επιβραδύνεται η άμεση απορροή, προστατεύεται το έδαφος από την κινητική ενέργεια της βροχής, και δημιουργείται συνεκτικός ιστός μεταξύ των εδαφικών κόκκων) Συνολικάη φυτοκάλυψη δρα προς την κατεύθυνση της μείωσης του όγκου άμεσης απορροής, της επιβράδυνσης και εξομάλυνσης των ρυθμών της, με τελική συνέπεια τη μείωση των αιχμών των πλημμυρικών υδρογραφημάτων 2

22 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΡΡΟΗ Παράγοντες που επηρεάζουν την απορροή ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗΣ Διάρκεια Ένταση Συνολικό ύψος Χωρική κατανομή Χρονική κατανομή ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΛΕΚΑΝΗΣ Μέγεθος Σχήμα Ανάγλυφο Γεωλογία Έδαφος Φυτοκάλυψη 22

23 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΡΡΟΗ ΛΕΚΑΝΕΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ (ΜΕ ΕΜΒΑΔΟΝ Α) ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ ΓΙA ΩΦΕΛΙΜΗ ΒΡΟΧΗ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ Ι ΚΑΙ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ D Q (m 3 /s) t (hr) t (hr) V=A*I*D Εικόνα 9. Επίδραση της γεωμετρίας στο υδρογράφημα 23 t (hr)

24 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΡΡΟΗ Μικρή κλίση Μεγάλος χρόνος συρροής Μέτρια κλίση Μέτριος χρόνος συρροής Μεγάλη κλίση Μικρός χρόνος συρροής ΔΗ ΔΗ ΔΗ Χρόνος συρροής Χρόνος συρροής Βροχή Βροχή Βροχή Χρόνος συρροής V V V Εικόνα 0. Επίδρασή της κλίσης στα χαρακτηριστικά πλημμύρας 24

25 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ Χρόνος (min) ΑΠΟΡΡΟΗΣ Ένταση βροχής (mm/min) ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΛΕΚΑΝΗΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΡΡΟΗ Έκταση λεκάνης απορροής: km 2 Ένταση βροχής: mm/min Διάρκεια βροχής: 0 min Στη λεκάνη χαράχτηκαν ισόχρονες καμπύλες και χωρίστηκε σε 0 ζώνες. To νερό της ης ζώνης απορρέει σε min, της 2ής σε 2minκαι της 0ής σε 0 min. Οι ζώνες έχουν το ίδιο εμβαδόν. Απορροή ζώνης:.000 m 3 /min ΠΛΗΜΜΥΡΟΓΡΑΦΗΜΑ ΕΞΟΔΟΥ ΔΙΑΤΟΜΗ ΕΞΟΔΟΥ 000 Παροχή αιχμής 6.7m 3 /s 500 Παροχή (m 3 /min) Νίκος Μαμάσης, 2009 Όγκος απορροής:0.000 m Χρόνος (min) 25

26 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΓΕΩΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΡΡΟΗ Μέθοδος ισοχρόνων Ισόχρονες καμπύλες Καμπύλες χρόνου - επιφάνειας απορροής Χρόνος συρροής Τ c ΔΑ 6 Δ6Τ Δ5Τ Έκταση σε χρόνο ΔΤ (km 2 /ΔΤ) Έκταση (km 2 ) ΔΑ 5 Δ4Τ 0 ΔΤ 2ΔΤ 3ΔΤ 4ΔΤ 5ΔΤ 6ΔΤ Τc Χρόνος 0 ΔΤ 2ΔΤ 3ΔΤ 4ΔΤ 5ΔΤ 6ΔΤ Τc Χρόνος ΔΑ 4 ΔΑ 3 ΔΑ 2 Δ3Τ Δ2Τ ΔΤ Q n =i n ΔΑ +ι n- ΔΑ i ΔΑ n Ένταση βροχής (mm/δτ) Υετογράφημα i i 2 i 3 i 4 i 5 i 6 i 7 ΔΑ Πλημμυρογράφημα 0 ΔΤ 2ΔΤ 3ΔΤ 4ΔΤ 5ΔΤ 6ΔΤ Τc Χρόνος 5 4 ΑΠΟΡΡΟΗ (hm 3 )/ΔΤ ΔΤ 2ΔΤ 3ΔΤ 4ΔΤ 5ΔΤ 6ΔΤ Τc Τc+ΔΤ Τc+3ΔΤ Τc+4ΔΤ Τc+5ΔΤ Τc+6ΔΤ Χρόνος 26

27 ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΜΑΤΑ t K t Λ t Μ t Ν Ένταση βροχόπτωσης S Έλλειμμα Ενεργός βροχή t a t c t a : Χρόνος ανόδου Παροχή, Q t L t L Γ t b lnq t c : Χρόνος συγκέντρωσης t b : Χρόνος βάσης t L, t L : Χρόνοι υστέρησης ΒΓ: Κλάδος ανόδου ΓΔ: Κλάδος καθόδου Κ Γ: Αιχμή πλημμύρας Άμεση απορροή Δ Α Β Βασική απορροή Ε t B t Γ t Δ Χρόνος, t Διάγραμμα 2. Χαρακτηριστικά μεγέθη υδρογραφήματος 27

28 ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΒΑΣΙΚΗΣ ΡΟΗΣ 50 Πλημμυρογράφημα Παροχή [m3/sec] Βασική ροή ln(q) [m3/sec] 0 0, Χρόνος [hr] Καμπύλη ln(q) - t Σημείο αλλαγής κλίσης, Χρόνος t [hr] Διάγραμμα 3. Διαδικασία διαχωρισμού βασικής ροής 28

29 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΕΛΛΕΙΜΑΤΩΝ Ένταση βροχόπτωσης, i (mm/hr) Πλημμυρικός όγκος V=A*Σ(i-φ)*Δt A: Έκταση λεκάνης Δείκτης φ Χρόνος (hr) Παροχή, Q(m 3 /s) Πλημμυρικός όγκος V=ΣQ*Δt Βασική ροή Χρόνος (hr) Διάγραμμα 4. Μέθοδος δείκτη φ 29

30 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Εικόνα εξωφύλλου, CC:BY-NC-SA Εικόνα. Κορυφογραμμή-Υδροκρίτης, φωτογραφία από Sandra Baki, CC:BY-NC-SA 30

31 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.