ΤΕΧΝΙΚΗ Υ ΡΟΛΟΓΙΑ. Εισαγωγή στην Υδρολογία (1η Άσκηση)

Transcript

1 ΤΕΧΝΙΚΗ Υ ΡΟΛΟΓΙΑ Εισαγωγή στην Υδρολογία (1η Άσκηση) Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων ιάρθρωση του µαθήµατος Εισαγωγή στην Υδρολογία Κατακρηµνίσεις Υδρολογικές απώλειες Χαρακτηριστικά λεκάνης απορροής Υδρογραφήµατα Υδροµετρία Επεξεργασία υδροµετρικών δεδοµένων Μοναδιαίο Υδρογράφηµα ιόδευση Στερεοπαροχή Υπόγεια νερά Αρχές στατιστικής υδρολογίας Ασύµµετρες κατανοµές και κατανοµές ακραίων τιµών Όµβριες καµπύλες Ορθολογική µέθοδος Υδρολογικός σχεδιασµός Συνολική θεώρηση της ύλης Λύση παλαιότερων θεµάτων

2 Εισαγωγή στις Βασικές Έννοιες της Υδρολογίας Υδρολογία Υδροκρίτης Λεκάνη Απορροής Υδρογραφικό ίκτυο Υδρολογικός Κύκλος Υδρολογικό Ισοζύγιο Υ ΡΟΛΟΓΙΑ Υδρολογία είναι επιστήµη πουπεριγράφειτηνεµφάνιση, την κυκλοφορία και τη διανοµή του νερού της γης, καθώς και την αλληλεπίδραση των φυσικών και χηµικών ιδιοτήτων του µε το περιβάλλον. Τεχνική υδρολογία (engineering hydrology) είναι ο κλάδος της υδρολογίας που έχει στόχο την ποσοτική εκτίµηση και πρόγνωση των υδρολογικών µεγεθών.

3 Υ ΡΟΛΟΓΙΑ Αντικείµενο ηεπιστηµονική εξέταση των διαφόρων φάσεων του νερού και ιδιαίτερα η χωρική και χρονική µεταβολή της έντασης που λαµβάνουν χώρα αυτές. Στόχοι: Ορθολογική διαχείριση των υδατικών πόρων µέτρηση - εκτίµηση του υδατικού δυναµικού και των αναγκών όγκος ταµιευτήρων / ύδρευση / άρδευση Εκτίµηση και αντιµετώπιση ακραίων φαινοµένων (πληµµύρες / ξηρασίες) Το πεδίο µελέτης της Υδρολογίας Ατµόσφαιρα Επιφάνεια της γης Εσωτερικό λιθόσφαιρας (µέχρι βάθος ~ 1km) Υδρόσφαιρα (ωκεανοί)

4 Υ ΡΟΚΡΙΤΗΣ Η νοητή γραµµή που συνδέει τα ψηλότερα σηµεία των υψωµάτων της επιφάνειας του εδάφους και διαχωρίζει τη ροή των όµβριων υδάτων. Υ ΡΟΚΡΙΤΗΣ Photo by Sandra Baki

5 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΣ ΥΠΟΓΕΙΟΣ Υ ΡΟΚΡΙΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟΣ Υ ΡΟΚΡΙΤΗΣ Ευδιάκριτα όρια (τοπογραφικά) ΥΠΟΓΕΙΟΣ Υ ΡΟΚΡΙΤΗΣ υσδιάκριτα όρια (φυσικά / γεωλογικά) Φρεάτιος ορίζοντας Κάτω από ένα σηµείο του επιφανειακού υδροφορέα µπορεί να υπάρχουν περισσότεροι υπόγειοι υδροφορείς, διαφορετικών χηµικών και υδραυλικών χαρακτηριστικών, µε διαφορετική πηγή εµπλουτισµού και περιοχή εκφόρτισης Αδιαπέρατο στρώµα ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Η περιοχή της επιφάνειας της γης που περικλείεται από τον υδροκρίτη Το όριο µεταξύ δύο γειτονικών λεκανών απορροής υδροκρίτης Στην περιοχή αυτή συγκεντρώνονται τα ατµοσφαιρικά κατακρηµνίσµατα, που στη συνέχεια καταλήγουν σε ένα κεντρικό σύστηµα αποµάκρυνσής τους. Το σύστηµα αυτό µπορείναείναιέναποτάµι, που καταλήγει στη θάλασσα, ένας χείµαρρος ή µία λίµνη όπου το νερό συγκεντρώνεται και εξατµίζεται ή απορροφάται από το έδαφος. Για λόγους διευκόλυνσης (σε κατανεµηµένα µοντέλα) η λεκάνη υποδιαιρείται σε επιµέρους υπολεκάνες

6 ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Υδροκρίτης Κάθε σηµείο ορίζει Λ.Α. Κάθε σηµείο του υδατορεύµατος ορίζει µία λεκάνη απορροής Όρια και έδρες υδατικών διαµερισµάτων

7 Υ ΡΟΓΡΑΦΙΚΟ ΙΚΤΥΟ Το σύνολο των επιφανειακών υδατορευµάτων (ποταµών [µόνιµη ροή], χειµάρρων [παροδική (εφήµερη) ροή] κτλ.) που συνδέονται µεταξύτουςδηµιουργώντας συγκεκριµένους τύπους απορροής. Οτρόποςσύνδεσηςτωνυδατορευµάτων και ο τύπος απορροής είναι αποτέλεσµα τουσυνδυασµού των νόµων της κίνησης των ρευστών και των γεωλογικών χαρακτηριστικών της περιοχής επί της οποίας κινούνται. Υ ΡΟΓΡΑΦΙΚΟ ΙΚΤΥΟ

8 Υ ΡΟΓΡΑΦΙΚΟ ΙΚΤΥΟ Υδροκρίτης Υδρογραφικό ίκτυο Λεκάνη Απορροής

9 Συνιστώσες Υδρολογικού Κύκλου Η Γεωλογική Υπηρεσία των ΗΠΑ (USGS) διακρίνει 16 συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου: 1. Αποθήκευση νερού στη θάλασσα 2. Εξάτµιση 3. Εξατµισοδιαπνοή 4. Εξάχνωση 5. Νερό στην ατµόσφαιρα 6. Συµπύκνωση 7. Κατακρηµνίσµατα 8. Αποθήκευση νερού σε πάγους 9. Απορροή από λιώσιµο χιονιού 10.Επιφανειακή απορροή 11.Ροή σε υδατορεύµατα 12.Αποθήκευση γλυκού νερού 13. ιήθηση 14.Αποθήκευση υπόγειου νερού 15.Εκφόρτιση υπόγειου νερού 16.Πηγές και χιόνια Απλουστευµένος Υδρολογικός Κύκλος Μεταφορά από ανέµους: 39.5 Επιφανειακή απορροή ιήθηση Κατακρηµνίσµατα στην ξηρά: 100 Εξάτµιση Εξατµοδιαπνοή απ την ξηρά: 60.5 ιαπνοή Εξάτµιση Εξάτµιση απ τη θάλασσα: Κατακρηµνίσµατα στη θάλασσα: 385 Αδιαπέρατοι γεωλογικοί σχηµατισµοί Επαναφόρτιση υδροφορέων Φρεάτιος ορίζοντας Υδροφορέας Υπόγεια απορροή Επιφανειακή εκροή: 37.5 Υπόγεια εκροή: 2

10 Συνιστώσες Απλουστευµένου Υδρολογικού Κύκλου Κατακρήµνιση βροχή χιόνι χαλάζι σε ξηρά θάλασσα Εξάτµιση ιαπνοή Εξατµισοδιαπνοή από ξηρά - θάλασσα Κατακράτηση / Παρεµπόδιση ιήθηση Επιφανειακή Απορροή Υπόγεια απορροή Υπόγεια εκροή Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Η µαθηµατική έκφραση του υδρολογικού κύκλου µιας λεκάνης απορροής αποτελεί το υδρολογικό (ή υδατικό) της ισοζύγιο. Για δεδοµένη λεκάνη απορροής η εξίσωση της διαφοράς µεταξύ των εκροών και των εισροών µε το ρυθµό αλλαγής της αποθήκευσης του νερού στη λεκάνη, σε καθορισµένο χρόνο, εκφράζει το υδατικό ισοζύγιο της λεκάνης. Εισροές Εκροές = Μεταβολή της αποθήκευσης

11 Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Εισροές Κατακρήµνιση (βροχόπτωση, χιονόπτωση, χαλάζι) Εκροήανάντηλεκάνης Εκροές Αποθήκευση Απορροή (επιφανειακή, ενδιάµεση, υπόγεια) Εξάτµιση ιαπνοή ιήθηση Απολήψεις (ύδρευση, άρδευση, βιοµηχανία ) Επιφανειακή (πάνω στο έδαφος, σε υδατορεύµατα και ταµιευτήρες) Υπεδάφια (στη ριζική ζώνη) Υπόγεια (υδροφορείς) Παρεµπόδιση/κατακράτηση (από βλάστηση, κτίρια) Υ ΡΟΛΟΓΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Για την κάλυψη των υδατικών αναγκών απαιτείται κάποιες φορές επέµβαση στις συνιστώσες του Υδατικού ισοζυγίου, οι οποίες επιφέρουν αλλαγές στον Υδρολογικό Κύκλο. Ταµιευτήρες (επέµβαση στη χρονική κατανοµή περισσειών και ελλειµµάτων νερού) Κανάλια µεταφοράς νερού Εκτροπές ποταµών Φράγµατα Αναχώµατα

12 Κατανοµή βροχόπτωσης στην Ελλάδα Υδρολογικό Ισοζύγιο Ταµιευτήρα ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΑΠΟΡΡΟΗ ΕΞΑΤΜΙΣΗ ΛΙΜΝΗΣ ΒΡΟΧΗ ΣΤΗ ΛΙΜΝΗ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΣΤΑΘΜΗΣ- ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ-ΟΓΚΟΥ Στάθµη (m) Επιφάνεια (km 2 ) Όγκος (m 3 x10 6 ) 62 16,6 235, , , ,7 286, , ,4 322, ,8 341, ,2 360,3 ΣΤΑΘΜΗ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΙΑΦΥΓΕΣ ΟΓΚΟΣ ΝΕΚΡΟΣ ΟΓΚΟΣ ΣΤΑΘΜΗ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΥΠΕΡΧΕΙΛΙΣΗ ΑΠΟΛΗΨΕΙΣ ΓΙΑ Υ ΡΕΥΣΗ, ΑΡ ΕΥΣΗ

13 Καµπύλες Στάθµης - Όγκου - Επιφάνειας Υδρολογικό Ισοζύγιο Λεκάνης Απορροής ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΚΑΙ ΕΤΗΣΙΑ ΕΝ ΕΙΚΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΒΡΟΧΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ 420 m 3 *10 6 ΑΠΟΛΗΨΕΙΣ ΑΠΟ ΛΙΜΝΗ ΓΙΑ Υ ΡΕΥΣΗ-ΑΡ ΕΥΣΗ 180 m 3 *10 6 ΥΠΟΓΕΙΕΣ ΙΑΦΥΓΕΣ ΛΕΚΑΝΗΣ 80 m 3 *10 6 ΒΡΟΧΗ ΣΤΗ ΛΙΜΝΗ 20 m 3 *10 6 ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΑΠΟΡΡΟΗ ΣΤΗ ΛΙΜΝΗ 190 m 3 *10 6 ΕΞΑΤΜΙΣΗ ΛΙΜΝΗΣ 30 m 3 *10 6 ΕΞΑΤΜΙΣΟ ΙΑΠΝΟΗ ΛΕΚΑΝΗΣ 150 m 3 *10 6

14 Μονάδες µέτρησης Υδρολογικών Μεταβλητών Κατακρήµνιση Ύψος [mm] Ένταση [mm/h] ιάρκεια [h] Εξάτµιση Ύψος [mm] Ρυθµός [mm/d, mm/m, mm/y] ιήθηση Ύψος [mm] Ρυθµός [mm/h] Παρεµπόδιση / Κατακράτηση Ισοδύναµο ύψος[mm ανά διάρκεια καταιγίδας] Απορροή Παροχή [m 3 /sec] Όγκος [m 3 ] Ισοδύναµο ύψος[ισοδύναµα mm στη λεκάνη απορροής] Μονάδες µέτρησης Υδρολογικών Μεταβλητών!!! Κοινές µονάδες κατά τον υπολογισµό ισοζυγίου h [mm] A [km 2 ] V [m 3 ] Q [m 3 /sec] t V [m 3 στην επιθυµητή µονάδα χρόνου]

15 Χωροχρονική κλίµακα Τόσοηχωρικήόσοκαιηχρονικήκλίµακα που επιλέγεται για τη µελέτη µιας περιοχής εξαρτάται από την ίδια τη µελέτη. Χωρική κλίµακα: λεκάνη απορροής ποταµού (συνήθως) Χρονική κλίµακα: Μελέτες καταιγίδων & πληµµυρών min, h, days Προβλήµατα αξιοποίησης υδατικών πόρων αρκεί συνήθως µηνιαία ή ετήσια κλίµακα Ενδεικτικά Μεγέθη Υ ΡΕΥΣΗ: m 3 ανά κάτοικο ανά ηµέρα (Στην Ελλάδα: 200 lt ανά κάτοικο ανά ηµέρα) ΑΡ ΕΥΣΗ: mm στην αρδευτική περίοδο [Μάιος Σεπτέµβριος] (Στην Ελλάδα: 600 mm = 600 mm*1000 m 2 =600 m 3 ανά έτος) ΕΞΑΤΜΙΣΗ: 1500 mm/y απόελεύθερηεπιφάνεια 800 mm/y απότοέδαφος ΒΡΟΧΟΠΤΩΣΗ: Στην Ελλάδα mm/y (Στην Αθήνα 400 mm/y) ΕΤΗΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΗ: Μόρνος 10 m 3 /sec Σπερχειός 17 m 3 /sec Αχελώος 140 m 3 /sec

16 Συντελεστής Απορροής C =Vεκροών /Vεισροών Εξαρτάται από: Τη χρονική κλίµακα Τις γεωλογικές εδαφολογικές συνθήκες Την προηγούµενη κατάσταση Vεισρ. Vεκρ. Πέφτουν 40mm Vεισρ. Συλλέγω 25mm Vεκρ. C=25/40=0.625 Τεχνική Υδρολογία / Παράδειγµα 1.1 (σελ.15) Βροχόπτωση έντασης 5 mm/h έπεσε σε λεκάνη απορροής έκτασης 4 km 2 για 6 ώρες. Στην έξοδο της λεκάνης µετρήθηκε απορροήκατάτηδιάρκειααυτήςτηςπεριόδουίσηµε m 3. Πόση από την ποσότητα της 6ωρης βροχόπτωσης µετατράπηκε σε υδρολογικές απώλειες?

17 Τεχνική Υδρολογία / Παράδειγµα 1.2 (σελ.16) Λίµνη σταθερής επιφάνειας 1.11 km 2 έχει σε δεδοµένο µήνα εισροή 0.42 m 3 /sec, αντίστοιχη εκροή 0.36 m 3 /sec και αύξηση του αποθέµατος m 3. Ένας βροχογράφος που είναι εγκατεστηµένος δίπλα στη λίµνη µέτρησε για τον εν λόγω µήνα συνολική βροχόπτωση 27 mm. Αν υποτεθεί ότι οι διαφυγές από τη λίµνη είναι ασήµαντες, να προσδιοριστεί η µηνιαία εξάτµιση της λίµνης.