ΔΙΕΥΘΕΤΗΣΗ ΟΡΕΙΝΩΝ ΥΔΑΤΩΝ Ι

Transcript

1 Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Προπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών ΔΙΕΥΘΕΤΗΣΗ ΟΡΕΙΝΩΝ ΥΔΑΤΩΝ Ι Κεφάλαιο 4 ο Φ. Π. Μάρης Αναπλ. Καθηγητής

2 Μεταφορά φερτών υλών Παραπυθμένια μεταφορά ή στερεομεταφορά

3 Γενικά Τα στερεά υλικά, τα οποία παράγονται στις ορεινές λεκάνες απορροής λόγω φυσικών ή ανθρωπογενών αιτιών, παρασύρονται από τα ρέοντα ύδατα και μεταφέρονται διαμέσου των κοιτών των χειμαρρικών ρευμάτων προς τα κατάντη. Η κίνηση αυτή ονομάζεται μεταφορά φερτών υλών. Ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η μεταφορά αυτή, επηρεάζεται από: 1. Τις δυνάμεις συνοχής των υλικών και 2. Την θρόμβωση τους κατά την αιώρηση. Ανάλογα με το εάν τα φερτά υλικά αναπτύσσουν δυνάμεις συνοχής διακρίνονται σε συνεκτικά και μη συνεκτικά. Οι κινητοί πυθμένες των χειμαρρικών ρευμάτων αποτελούνται κατά κανόνα από μη συνεκτικά υλικά. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 3

4 Τρόποι μεταφοράς φερτών υλών Ανάλογα με τον τρόπο που μετακινούνται τα φερτά υλικά στο εσωτερικό της ρέουσας, υδάτινης μάζας, η μεταφορά τους διακρίνεται σε: Ατομική μεταφορά, κατά την οποία τα υλικά κινούνται με τρόπο ανεξάρτητο μεταξύ τους και Μαζική μεταφορά, κατά την οποία τα υλικά κινούνται ομαδικά, ως μάζα. Η ατομική μεταφορά υποδιαιρείται στην: Παραπυθμένια μεταφορά, ή στερεομεταφορά (τα υλικά κινούνται πάνω ή κοντά στον πυθμένα) και Αιωρομεταφορά (τα υλικά κινούνται αιωρούμενα μέσα στο νερό) ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 4

5 Ταξινόμηση των μηχανισμών της μεταφοράς φερτών υλών (WSL[1]-IRASMOS[2], 2005 [1] Swiss Federal Institute for Snow and Avalanche Research [2] Integral Risk Management of Extremely Rapid Mass Movements) ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 5

6 Η ροή του μίγματος (νερό φερτές ύλες) διακρίνεται ως εξής: Κανονική ροή (φερτές ύλες σε ποσοστό < 20%, μεταφορά υλικών συνεχής και γίνεται ως στερεομεταφορά και ως αιωρομεταφορά). Ενδιάμεση ή δεβριτική ροή (debris flow φερτές ύλες %, συμπεριφορά ενδιάμεση νευτωνική πλαστική, αυξημένη πυκνότητα (μέχρι 1,3 ~ 1,4 gr/m 3 ), μεταφορά συνεχής με μορφή έντονης στερεομεταφοράς καθώς και αιωρομεταφορά. Χαρακτηρίζεται από την μεταφορά λίθων). Λασποροή (mud flow φερτές ύλες > 60 ~ 80%, συμπεριφορά πλαστική, πυκνότητα μεγάλη > 1,3 ~ 1,4 gr/m 3, κίνηση με μεγάλη ταχύτητα, ασυνεχή κατά κύματα αλλά μαζικό. Χαρακτηρίζεται από τη μεταφορά μεγάλων ογκόλιθων). Η δεβριτική ροή καθώς και η λασποροή αποτελούν την χεραδική ροή, η οποία εκφράζει την μαζική μεταφορά. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 6

7 Η εκτίμηση της στερεομεταφοράς γίνεται με την βοήθεια των όρων παροχής και φορτίου, επομένως: Στερεοπαροχή (G, m 3 /s) είναι η ποσότητα των υλικών που μεταφέρεται στη μονάδα του χρόνου από ορισμένη διατομή της κοιτης. Παρέχει την ένταση της στερεομεταφοράς για συγκεκριμένες συνθήκες ροής. Όταν η στερεοπαροχή δίνεται ανά τρέχον μέτρο πλάτους πυθμένα (m 3 /s, m) τότε παρέχει την ειδική στερεοπαροχή (g v ). Στερεοφορτίο ή στερεοποσότητα (m 3 ) είναι η ποσότητα φερτών υλών, η οποία διέρχεται από συγκεκριμένη διατομή της κοίτης κατά ένα σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα (μήνας, εξάμηνο, έτος, κλπ.). Όταν το στερεοφορτίο ανάγεται στη μονάδα (km 2 ) της λεκάνης τροφοδοσίας τότε παρέχει την ειδική στερεοποσότητα (m 3 /km 2 ), το οποίο αποτελεί και δείκτη υποβάθμισης της λεκάνης. Επομένως το μέγεθος του στερεοφορτίου διαμορφώνεται από την επανειλημμένη λειτουργία της διαδικασίας της στερεοπαροχής κατά τις διάφορες πλημμυρικές απορροές μέσα σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 7

8 Στην περίπτωση της αιωρομεταφοράς έχουμε κατ αντιστοιχία την αιωροπαροχή, την ειδική αιωροπαροχή, το αιωροφορτίο και την ειδική αιωροποσότητα. Στην περίπτωση της συνολικής ατομικής μεταφοράς έχουμε αντίστοιχα την στερεοαιωροπαροχή, την ειδική στερεοαιωροπαροχή, το στερεοαιωροφορτίο, την στερεοαιωροποσότητα και την ειδική στερεοαιωροποσότητα. Στην περίπτωση της μαζικής μεταφοράς (χέραδοι ή χείμαρροι λάβας) χρησιμοποιείται κατά κανόνα μόνο η έννοια του χεραδοφορτίου ή λαβαφορτίου και της χεραδοποσότητας. Η αιωρομεταφορά και η μαζική μεταφορά φερτών υλών ακολουθούν πάντα την ίδια νομοτέλεια, σ όποιο ρεύμα και αν εμφανίζονται. Αντίθετα, η στερεομεταφορά διαφοροποιείται στις ορεινές από τις πεδινές κοίτες. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 8

9 Η έρευνα της μεταφοράς φερτών υλών Για την ερμηνεία του φαινομένου της ατομικής μεταφοράς φερτών υλών (αιωρομεταφορά και στερεομεταφορά) αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι έρευνας. 1. Η θεωρητική σχολή ερευνά αναλυτικά το φυσικό μηχανισμό του φαινομένου σε ομοιώματα, που κατασκευάζονται σε υδραυλικά εργαστήρια (κυρίως για ποτάμιες συνθήκες ροής). 2. Η εμπειρική σχολή διατυπώνει εμπειρικές σχέσεις μεταξύ των γεωμετρικών μεγεθών των κοιτών, των υδραυλικών μεγεθών της ροής και των κοκκομετρικών χαρακτηριστικών των μιγμάτων υπό συνθήκες ισορροπίας (μετά από στατιστική επεξεργασία των παρατηρήσεων στη φύση). Πιο γνωστές μέθοδοι, η Regime theory για ποτάμιες συνθήκες και η μέθοδος των Stiny Herheulidze για μικρά χειμαρρικά ρεύματα. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 9

10 Παραπυθμένια μεταφορά φερτών υλών σε πεδινές κοίτες Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των κοιτών με πεδινό ή ποτάμιο χαρακτήρα είναι τα εξής: Μεγάλο πλάτος κοίτης σε σχέση με το βάθος ροής του νερού, Μικρή κλίση πυθμένα (συνήθως J < 1%), Σημαντικό βάθος ροής, Μικρή ταχύτητα ροής, Σημαντική ειδική υδατοπαροχή (m 3 /s,m) και Μικρής διαμέτρου φερτά υλικά. Οι παραπάνω ήπιες συνθήκες ροής κυριαρχούν κατά κανόνα στις κοίτες των ποταμών καθώς και στις κύριες κοίτες των μεγαλύτερων χειμαρρικών ρευμάτων. Επίσης δύναται να εμφανίζονται και στις πεδινές κοίτες των μικρών χειμαρρικών ρευμάτων με λοφώδεις ή και ημιορεινές λεκάνες απορροής. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 10

11 Κίνηση μεμονωμένου υλικού σε κινητό πυθμένα Δρώσες δυνάμεις και μορφές κίνησης των φερτών υλικών σε κινητό πυθμένα Οι ασκούμενες δυνάμεις σ ένα στερεό υλικό κινητού πυθμένα είναι οι εξής: 1. Η συρτική δύναμη του νερού (ενεργεί κατά την διεύθυνση ροής του νερού), 2. Η άνωση που δέχεται το υλικό από το νερό (δρα κάθετα στην ροή του νερού), 3. Οι αντιστάσεις του υλικού, που εξαρτώνται από το βάρος του μέσα στο νερό, από τις δυνάμεις επαφής που δημιουργούνται λόγω της συνύπαρξης του με άλλα υλικά, καθώς και από την έκθεση του στη ροή. Για να τεθεί σε κίνηση το υλικό, πρέπει η συνισταμένη όλων των δυνάμεων, να είναι μεγαλύτερη από τις αντιστάσεις του. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 11

12 Όπου G: το βάρος του υλικού Α: η άνωση G : S r : S x : S z : το βάρος του υλικού υπό το νερό (G = G A) η δύναμη ροής η οριζόντια συνιστώσα της δύναμης ροής (συρτική δύναμη) η κατακόρυφη συνιστώσα της ροής του νερού R: η αντίδραση του γειτονικού υλικού στο προς εκκίνηση υλικό ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 12

13 Ο συνδυασμός όλων των παραπάνω κατακόρυφων και οριζόντιων δυνάμεων, δίνει τελικά στο σώμα μια κίνηση σύνθετης μορφής προς την κατεύθυνση ροής του νερού, η οποία μπορεί να διακριθεί στις εξής μορφές: Κύλιση, Ολίσθηση ή σύρση, Πήδηση, Αιώρηση. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 13

14 Στερεομεταφορική ικανότητα και στερεοπαροχή στις πεδινές κοίτες των ρευμάτων Στερεομεταφορική ικανότητα ή ικανότητα στερεομεταφοράς είναι η δυνατότητα, την οποία έχουν τα υδάτινα ρεύματα, να μεταφέρουν ορισμένη ποσότητα στερεών υλικών ανά μονάδα χρόνου διαμέσου της κοίτης τους, με βάση τις εκάστοτε συνθήκες ροής. Στα φυσικά ρεύματα με κινητούς πυθμένες η στερεομεταφορική ικανότητα μπορεί να ταυτιστεί με τη στερεοπαροχή για ορισμένη υδατοπαροχή. Στην περίπτωση όμως συμπαγών ή επενδεδυμένων πυθμένων (τεχνητών) χωρίς φερτές ύλες, το ρεύμα έχει μεν στερεομεταφορική ικανότητα, δεν δημιουργεί όμως στερεομεταφορά, αφού δεν υπάρχει κινητός πυθμένας. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 14

15 Εξισώσεις προσδιορισμού της στερεοπαροχής σε πεδινές κοίτες Για τον προσδιορισμό της στερεοπαροχής σε υδάτινα ρεύματα με πεδινή διαμόρφωση κοίτης, τα οποία παρουσιάζουν σχετικά ήπιες συνθήκες ροης, έχουν διατυπωθεί διάφορες εξισώσεις, που στηρίζονται κατά κανόνα σε υδραυλικά κριτήρια, γι αυτό και είναι γνωστές ως υδραυλικές. Οι εξισώσεις υπολογίζουν την στερεομεταφορική ικανότητα των ρευμάτων και συγκεκριμένα την ειδική στερεοπαροχή g v (m 3 /s,m). Ο υπολογισμός της ολικής στερεοπαροχής G ενός ρεύματος με πλάτος πυθμένα b γίνεται ως εξής: G g v Οι πιο γνωστές εξισώσεις είναι οι εξής: Du Boys, Schoklitz, Regime Theory, b Meyer Petter και Müller, Pedroli, Kalinske, Einstein. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 15

16 Εξίσωση στερεοπαροχής των Meyer Peter και Müller Η ειδική στερεοπαροχή g v δίνεται από τον παρακάτω τύπο: g v U 25 γ k m r J 1 4 0,047 γ d d-1 Έρευνες του Καθηγητή Κωτούλα, έδειξαν ότι η εξίσωση μπορεί να εφαρμοσθεί με επαρκή ακρίβεια και σε κοίτες με κλίση έως 10%. Όπου: γ: ειδικό βάρος του νερού (t/m 3 ) d: ειδικό βάρος υλικών (t/m 3 ) γ β : u m : k r : β d ειδικό βάρος βυθισμένων υλικών (t/m 3 ), γ β =d γ μέση ταχύτητα κίνησης του νερού (m/s) συντελεστής τραχύτητας πυθμένα κοίτης (d 90 = d ), m (d 90 J: κλίση της γραμμής ενέργειας (για ομοιόμορφη ροή, κλίση d m : αντιπροσωπευτική ή καθοριστική διάμετρος (m) kr d κλίση κοίτης) ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 16

17 Παραπυθμένια μεταφορά φερτών υλών σε ορεινές κοίτες Οι ορεινές κοίτες, σχηματίζονται στους χώρους δράσης των μικρών χειμαρρικών ρευμάτων, καθώς και στα ανώτερα τμήματα των λεκανών απορροής των χειμαρρικών ρευμάτων των ορεινών και πολύ ορεινών περιοχών. Τα χαρακτηριστικά τους γνωρίσματα είναι τα εξής: Μέτριο έως μικρό πλάτος κοίτης σε σχέση με το βάθος ροής, Ισχυρή κλίση πυθμένα, Περιορισμένο βάθος ροής του νερού, Περιορισμένη έως μικρή ειδική υδατοπαροχή και Ογκώδη στερεά υλικά. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 17

18 Οι χείμαρροι των ορεινών και πολύ ορεινών περιοχών μεταφέρουν σημαντικές ποσότητες ογκωδών υλικών προς τα κατάντη, ιδίως κατά την διάρκεια ισχυρών πλημμυρικών αιχμών. Η μεταφορά των φερτών υλών γίνεται κυρίως με στερεομεταφορά. Η αιωρομεταφορά είναι περιορισμένη. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την στερεομεταφορά σε ορεινές κοίτες είναι οι εξής: Η κλίση του πυθμένα,, (εάν( J > 30%, η ποσότητα των φερτών υλικών που μπορούν να μεταφερθούν είναι μεγαλύτερη εκείνης του νερού που απορρέει), Το βάθος ροής, Ταχύτητα ροής, Μορφή και τραχύτητα της κοίτης, Κοκκομετρική σύνθεση των φερτών υλών (εάν υπάρχει ποικιλία διαμέτρων και κανονική σύνθεση, τα υλικά μεταφέρονται ευκολότερα), Σώματα μεταφοράς. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 18

19 Προσδιορισμός της στερεοπαροχής στις ορεινές κοίτες (μικρά χειμαρρικά ρεύματα) Ο προσδιορισμός της στερεοπαροχής στις ορεινές κοίτες γίνεται με τη βοήθεια εμπειρικών μεθόδων, οι οποίες στηρίζονται στην ένταση των χειμαρρικών φαινομένων παραγωγής υλικών που αναπτύσσονται στις ορεινές λεκάνες απορροής υπολογίζουν την πραγματική στερεοπαροχή. Οι σπουδαιότερες μέθοδοι και εξισώσεις είναι αυτές των: Bernard, Stiny Herheulidze, Wehrman, Hampel, Smart και Jäggi, Rickenmann. ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 19

20 Εξίσωση στερεοπαροχής των Stiny Herheulidze Πρόκειται για εμπειρική εξίσωση η οποία διατυπώθηκε αρχικά από τον αυστριακό Stiny και συμπληρώθηκε από τον Ρώσο Herheulidze. Θεωρείται ότι δίνει καλά αποτελέσματα, γι αυτό και βρίσκει ευρεία εφαρμογή στην υδρονομική πράξη. Έχει την ακόλουθη μορφή: G Y n Pn m (100 P n ) Q, (m 3 /s) Όπου Q: η υδατοπαροχή του ρεύματος (m³/sec sec) P n : το επί % βάρος των στερεών υλικών για ορισμένη κλίση (δίνεται από πίνακες) m: ο βαθμός χειμαρρικότητας της λεκάνης (δίνεται από πίνακες) Y n : Το βάρος ενός κυβικού μέτρου μεταφερόμενων υλικών (t) ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 20

21 Συντελεστής στερεοχειμαρρικότητας Η μεταφορά φερτών υλών από τα χειμαρρικά ρεύματα προκαλεί ελάττωση της ταχύτητας κίνησης του νερού. Τη μείωση αυτή εκφράζει ο συντελεστής στερεοχειμαρρικότητας, που δίνεται από τον τύπο: K γ γ n d γ Όπου γ: ειδικό βάρος νερού (t/m 3 ή kg/m 3 ) d: ειδικό βάρος των μεταφερομένων υλικών (t/m 3 ή kg/m 3 ) n: λόγος της μέγιστης στερεοπαροχής προς την μέγιστη υδατοπαροχή (αδιάστατος αριθμός ίσος ή μικρότερος της μονάδας) ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 4ο 21