ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ Ε ΑΦΙΚΟΥ ΝΕΡΟΥ

Transcript

1 ΚΙΝΗΣΗ ΤΟΥ Ε ΑΦΙΚΟΥ ΝΕΡΟΥ Το εδαφικό νερό υπό την επίδραση διαφόρων δυνάµεων βρίσκεται σε συνεχή κίνηση και µπορεί να κινηθεί προς διάφορες κατευθύνσεις. Οι δυνάµεις οφείλονται στη βαρύτητα, Στην πίεση του νερού στην ατµοσφαιρική πίεση και στη στερεά φάση του εδάφους (συνάφεια και συνοχή). Επίσης οι θερµοκρασιακές διαφορές, η συγκέντρωση αλάτων και η δράση των ριζών των φυτών επηρεάζουν την κίνηση του εδαφικού νερού. 1

2 Ενέργεια νερού Ενέργεια εδαφικού νερού Κινητική + υναµική 1. Κινητική Ενέργεια του νερού: E κ m v mµάζα και vταχύτητα Ηανά µονάδα βάρους νερού κινητική ενέργεια (Ε v ) είναι ίση E E B m v mg v κ v g () Έχει διαστάσεις µήκους και λέγεται Ύψος Ταχύτητας

3 ΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ:. υναµική ενέργεια του νερού : α. Λόγω θέσεως (Ε d ) και οφείλεται στη βαρύτητα E d mµάζα gεπιτάχυνση βαρύτητας, zύψος από κάποιο επίπεδο αναφοράς Ηανά µονάδα βάρους νερού ενέργεια λόγω θέσης (Ε g ) είναι ίση E g m g z E d B mgz mg z () Έχει διαστάσεις µήκους και λέγεται Ύψος θέσεως Επιφάνεια εδάφους Σηµείο Α z Πιεζοµετρικός Σωλήνας Υπόγεια στάθµη Επίπεδο αναφοράς β. Λόγω πιέσεως Ηανά µονάδα βάρους νερού ενέργεια λόγω πιέσεως (Ε p ) είναι ίση P ρg E p γ ρg () Έχει διαστάσεις µήκους και λέγεται Ύψος πιέσεως Στην επόµενη διαφάνεια γίνεται αναλυτικά η εξαγωγή της σχέσης που δίνει την Ε p. 3

4 αναλυτικά η εξαγωγή της σχέσης που δίνει την Εp. Επιφάνεια εδάφους Πιεζοµετρικός Σωλήνας Η πίεση στο σηµείο Α είναι Υπόγεια στάθµη P F B mg Vρg ρg ρg Σηµείο Α z Επίπεδο αναφοράς Η ενέργεια λόγω πίεσης είναι ίση µε το έργο που παράγεται κατά τη µεταφορά όγκου νερού V από το σηµείο Α στο επίπεδο της υπόγειας στάθµης όπου η πίεση είναι 0. W F F P W F P PV Σηµείο Α * Ηανά µονάδα βάρους νερού ενέργεια λόγω πιέσεως (Εp) είναι ίση W PV ρg E P B Vρg ρg P πίεση F δύναµη Ββάρος ρπυκνότητα Wέργο Α εµβαδόν διατοµής ύψος νερού µεταξύ του σηµείου Α και της υπόγειας στάθµης του νερού 4

5 Ησυνολική ενέργεια του νερού είναι E E + E + v g ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ: E p που όταν εκφρασθεί µε τα αντίστοιχα ύψη (ταχύτητας, θέσης και πιέσεως) λέγεται ολικό φορτίο ή ολικό ύψος v + z + g ολικό φορτίο ή ολικό ύψος Επειδή v g είναι πολύ µικρό (γιατί στο έδαφος v1 mm µέχρι µερικά cm/) παραλείπεται Έτσι η συνολική ενέργεια του νερού ισούται µε τη δυναµική του και αναφέρεται ως υδραυλικό ύψος ή υδραυλικό φορτίο z + υδραυλικό ύψος 5

6 Υδραυλική κλίση Τα σηµεία (1) και () του σχήµατος απέχουν µεταξύ τους απόσταση τα υδραυλικά ύψη είναι αντίστοιχα Η 1 και Η Η 1 Η Ο λόγος i 1 λέγεται υδραυλική κλίση Αν i0 το νερό δεν κινείται Κίνηση νερού υπάρχει µόνο όταν i 0 6

7 νόµος Darcy Ηκίνηση του νερού περιγράφεται από το νόµο του Darcy Q K i Όπου Q είναι ποσότητα ροής ή η παροχή µε διαστάσεις ( 3 T -1 ) π.χ cm 3 min -1 i είναι η υδραυλική κλίση (αδιάστατη) Α είναι η διατοµή µε διαστάσεις ( ) π.χ cm K είναι ο συντελεστής υδροπερατότητας ή Darcy µε διαστάσεις ( T -1 ) π.χ cm -1 Το αρνητικό πρόσηµο δείχνει ότι η ροή λαµβάνει χώρα κατά την έννοια των ελαττουµένων υδραυλικών φορτίων Οσυντελεστής Κ λέγεται και υδραυλική αγωγιµότητα Όταν το έδαφος είναι κορεσµένο µε νερό (κορεσµένο έδαφος) η υδραυλική αγωγιµότητα λέγεται κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα Όταν είναι ακόρεστο λέγεται ακόρεστη υδραυλική αγωγιµότητα 7

8 Προσδιορισµός κορεσµένης υδραυλικής αγωγιµότητας µε διαπερατόµετρο σταθερού πιεζοµετρικού φορτίου ή ύψους Q K i K Q i Εκροή του πλεονάζοντος νερού 1 i 1 D (1) Είσοδος νερού 1 z z () E Q V t π D 4 π r Το 1 παραµένει σταθερό καθ όλη τη διάρκεια των µετρήσεων καθότι το πλεονάζον νερό εισόδου απάγεται µε ελεύθερη ροή 8

9 Παράδειγµα 1 cm z 1 5 cm Εκροή του πλεονάζοντος νερού 0 z 0 1 D 4 cm 5 cm D (1) Είσοδος νερού Χρόνος (t) Όγκος (V) (λεπτά) (cm 3 ) Q K i K i Q i () E 1 1 +z cm ,4 π r πd /43.14*4 /41,56 cm QV/t6/3 cm 3 /λεπτό K Q 0,114 cm/λεπτό 0,114 x 60 i 1,4 x1,56 6,8 cm/ 9

10 Κατηγορίες Υδραυλικής αγωγιµότητας Κατηγορία Κορεσµένη υδραυλι κή Χαρακτηρισµός αγωγιµότητα (cm/) Ι <1,5 Βραδεία ΙΙ 1,5 5,0 Μέτρια ΙΙΙ 5,0 15,0 Ταχεία ΙV >15,0 Πολύ ταχεία 10

11 Πρόβληµα Μία κατακόρυφη εδαφική στήλη αποτελείται από 60 cm του εδάφους 1 και 0 cm του εδάφους. Η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους 1 (K s1 ) είναι 6 φορές µεγαλύτερη από την αντίστοιχη (K s ) του εδάφους. Στην επιφάνεια του εδάφους υπάρχει λιµνάζον νερό σταθερού ύψους 10 cm και σταθερή ροή από τον πυθµένα της στήλης. Υπολογίστε το ύψος πίεσης (), το ύψος θέσης (z) και το υδραυλικό ύψος () στα σηµεία Α, Β και Γ. Αν η κορεσµένη υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους είναι 1, cm/ηµέρα, υπολογίστε τη σταθερή ροή δια µέσου της στήλης. 10 cm 60 cm 0 cm Έδαφος1 Έδαφος Α Β Γ 11

12 Λύση Προβλήµατος Αφού Κ s1 >K s το έδαφος 1 θα είναι κορεσµένο και το ύψος πίεσης () στο σηµείο Β θα είναι ίση µε τούψοςαπότο Β µέχρι την ελεύθερη επιφάνεια του νερού 10 cm 60 cm Έδαφος1 Α z + Z 10 cm 80 cm 90 cm B B + z Z B B B 70 cm 0 cm 90 cm 0 cm Έδαφος Β Γ E z Γ Γ Γ 0 cm 0 cm Γ + Z Γ 0 cm Q i B Q B B K q s1 60 B i B B , Q i BΓ BΓ Q BΓ K q s Β i 0 BΓ BΓ Γ 1, ,5 4,5 5,4 cm/ηµέρα 1

13 Επαναλάβετε τους υπολογισµούς για την περίπτωση που το έδαφος 1 βρίσκεται κάτω από το έδαφος. 10 cm Έδαφος Α Β Έδαφος1 E Γ 13

14 Προσδιορισµός Υδραυλικής αγωγιµότητας µε διαπερατόµετρο µεταβαλλόµενου πιεζοµετρικού φορτίου ή ύψους Qdt πr σ d ή Q πr σ d dt r σ r δ 1 (1) () E Q πr πr δ K δ K rσ Kdt r δ -πr σ d dt d Η ολοκλήρωση της παραπάνω σχέσης από t0 έως t για 1 έως προκύπτει η σχέση K r r σ δ 1 ln t 14

15 Άσκηση ίδεται η ακόρεστη εδαφική στήλη του σχήµατος. Η υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους βρέθηκε ίση µε Κ 0, cm/. Να καθοριστεί: α) Η διεύθυνση ροής β) Να υπολογιστεί η παροχή ανά µονάδα επιφάνειας. ίδονται: Ύψος πίεσης στη θέση 1, 1-40 cm Ύψος πίεσης στη θέση, -10 cm cm 30 o 15

16 Άσκηση Το ύψος πίεσης στην αρχή µιας κορεσµένης κεκλιµένης εδαφικής στήλης που εκρέει στον ελεύθερο αέρα είναι 80 cm. To µήκος της στήλης είναι 50 cm και η διάµετρος της 6 cm. Από τη στήλη εκρέουν 500 cm 3 σε ώρες. Να υπολογιστεί η υδραυλική αγωγιµότητα της στήλης. 1 1 z 1 50 cm 30o E 16

17 Άσκηση Το ύψος πίεσης στην αρχή µιας κορεσµένης οριζόντιας εδαφικής στήλης που εκρέει στον ελεύθερο αέρα είναι 150 cm. To µήκος της στήλης είναι 300 cm και η διάµετρος της 6 cm. Από τη στήλη εκρέουν 500 cm 3 σε ώρες. Να υπολογιστεί η υδραυλική αγωγιµότητα της στήλης. 1 E 17

18 18

19 Εφαρµογή στο νόµο Darcy Σε αρδευτικό δίκτυο υπάρχει δρόµος από αδιαπέραστο υλικό µε πλάτος βάσης 5m. Η επίχωση του δρόµου βρίσκεται πάνω σε στρώµα τύρφης βάθους 1,5 m, κάτω από το οποίο βρίσκεται αδιαπέραστη άργιλος. Από τις δύο πλευρές του δρόµου υπάρχουν αποστραγγιστικές τάφροι όπως στο σχήµα. Πια είναι η διηθούµενη ποσότητα νερού σε µια ηµέρα και σε µήκος δρόµου 1000 m, αν η υδραυλική αγωγιµότητα της τύρφης είναι 1,5 cm/. ΕΑ 0,60 1,50 5,0 τύρφη άργιλος Q K i 19

20 Εφαρµογή στο νόµο Darcy Σε αρδευτικό δίκτυο υπάρχει δρόµος από αδιαπέραστο υλικό µε πλάτος βάσης 5m. Η επίχωση του δρόµου βρίσκεται πάνω σε στρώµα τύρφης βάθους 1,5 m, κάτω από το οποίο βρίσκεται αδιαπέραστη άργιλος. Από τις δύο πλευρές του δρόµου υπάρχουν αποστραγγιστικές τάφροι όπως στο σχήµα. Πια είναι η διηθούµενη ποσότητα νερού σε µια ηµέρα και σε µήκος δρόµου 1000 m, αν η υδραυλική αγωγιµότητα της τύρφης είναι 1,5 cm/. Q K i i 1 ΕΑ 1,50 0,60 5,0 τύρφη άργιλος 0, 6 i 01, 5 15, x m Q Q 15, 3 x01, x1500, 7 m / 100 3, 7x4 64, 8 m / ηµ έρα 0