Ε ΑΦΙΚΗ ΥΓΡΑΣΙΑ ΚΑΙ ΙΗΘΗΣΗ

Transcript

1 Ε ΑΦΙΚΗ ΥΓΡΑΣΙΑ ΚΑΙ ΙΗΘΗΣΗ Η εξέλιξη του υδρολογικού κύκλου που αρχίζει με τη δημιουργία υδρατμών, τη συμπύκνωσή τους και συνεχίζεται με τα κατακρημνίσματα, ακολουθείται από μερική ή ολική συγκράτηση της προσπίπτουσας ποσότητας νερού στο επιφανειακό στρώμα. Η συγκράτηση αυτή πραγματοποιείται ανάμεσα στους πόρους του εδάφους που σχηματίζουν οι εδαφικοί κόκκοι και έτσι ανανεώνεται η εδαφική υγρασία που χάνεται κατά την εξέλιξη των διεργασιών του υδρολογικού κύκλου. Με την έναρξη των κατακρημνισμάτων αρχίζει το φαινόμενο της διήθησης που περιγράφει την κίνηση του νερού διαμέσου της επιφάνειας του εδάφους προς τα βαθύτερα στρώματα. Η ποσότητα του διηθούμενου νερού εξαρτάται από πολλές παραμέτρους ανάμεσα στις οποίες περιλαμβάνονται η δομή του εδάφους και η περιεχόμενη σ αυτό υγρασία. 1. Μηχανική σύσταση του εδάφους Το έδαφος είναι αποτέλεσμα της επίδρασης του κλίματος (θερμοκρασία, υγρασία, άνεμος κτλ), των οργανισμών και μικροοργανισμών επί των μητρικών υλικών της περιοχής ή άλλων περιοχών από τις οποίες μέσω διαδικασιών διάβρωσης και απόθεσης μπορεί να έχουν μετακινηθεί σε σημαντικές αποστάσεις. Η σύνθεση του εδάφους συνήθως μελετάται από εδαφολόγους και εδαφο-φυσικούς. Λαμβάνονται εδαφικά δείγματα τα οποία ξεραίνονται και κατόπιν υπόκεινται σε διαδικασίες κοσκινίσματος οπότε οι διάφοροι εδαφικοί κόκκοι διαχωρίζονται κατά μέγεθος και ζυγίζονται. Γίνεται γενικά αποδεκτό ότι εδαφικοί κόκκοι με διάμετρο μικρότερη από 2 μm αποτελούν την άργιλο και συνίστανται από χημικά και φυσικά ενεργά ορυκτά (κολλοειδή). Κόκκοι με διάμετρο μεγαλύτερη από 2 mm κατατάσσονται ως χαλίκια. Η περιοχή ανάμεσα στην άργιλο και τα χαλίκια υποδιαιρείται κατά διάφορους τρόπους ανάλογα με το επιλεγμένο σύστημα κατάταξης (Πίνακας 1) και περιλαμβάνει την ιλύ και την άμμο. Τα πλέον συνηθισμένα συστήματα κατάταξης ταξινόμησης των σωματιδίων του εδάφους είναι : του Υπουργείου Γεωργίας των Η.Π.Α. (U.S. Department of Agriculture) και της International Soil Science Society

2 Πίνακας 1. Ταξινόμηση των κόκκων του εδάφους κατά το μέγεθος της διαμέτρου τους. Κατάταξη κατά U.S.D.A. ιάμετρος κόκκων (mm) Τύπος κλάσματος του εδάφους ιάμετρος κόκκων (mm) Κατάταξη κατά I.S.S.S. Τύπος κλάσματος του εδάφους Πολύ χοντρή άμμος Χοντρή άμμος Χοντρή άμμος Μέση άμμος Λεπτή άμμος Λεπτή άμμος Πολύ λεπτή άμμος Ιλύς Ιλύς < Άργιλος < Άργιλος Η περιεκτικότητα ενός εδάφους σε άμμο, ιλύ και άργιλο καθορίζει τη μηχανική του σύσταση. Για πρακτικούς σκοπούς γίνεται η κατάταξη των εδαφών σε κλάσεις ανάλογα με την ποσοστιαία αναλογία των τριών κλασμάτων του. Η πλέον γνωστή κατάταξη είναι η κατά Βουγιούκο (U.S.D.A. S.C.S.) που παριστάνεται στο Σχήμα Πυκνότητα, πορώδες, εδαφική υγρασία Το έδαφος υπό κανονικές συνθήκες, αποτελεί ένα μείγμα στο οποίο συμπεριλαμβάνονται οι τρεις φάσεις : στερεά (εδαφικοί κόκκοι), υγρή (νερό) και αέρια (αέρας). Στο Σχήμα 2 παριστάνονται διαχωρισμένες οι τρεις αυτές φάσεις για τον καθορισμό των σχέσεων μεταξύ όγκου και μάζας του εδαφικού δείγματος

3 α/α Σύμβολο Κλάσεις Κοκκομετρικής Σύστασης 1 S Αμμώδες (Sand) 2 LS Πηλοαμμώδες (Loamy Sand) 3 SL Αμμοπηλώδες (Sandy Loam) 4 L Πηλώδες (Loam) 5 SiL Ιλυοπηλώδες (Silty Loam) 6 Si Ιλυώδες (Silt) 7 CL Αργιλλοπηλώδες (Clay Loam) 8 SCL Αμμοαργιλλοπηλώδες (Sandy Clay Loam) 9 SiCL Ιλυοαργιλλοπηλώδες (Silty Clay Loam) 10 SC Αμμοαργιλλώδες (Sandy Clay) 11 SiC Ιλυοαργιλλώδες (Silty Clay) 12 C Αργιλλώδες (Clay) Σχήμα 1. Κατάταξη εδαφών σε κλάσεις ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε άμμο, ιλύ και άργιλο (κατά Βουγιούκο, U.S.D.A.) - 3 -

4 Σχέσεις όγκου Σχέσεις μάζας a Αέρας m a n w Νερό m w t m t Στερεά σωματίδια m Σχήμα 2. Σχηματική παράσταση διαχωρισμού των τριών φάσεων ενός εδαφικού δείγματος. Πραγματική πυκνότητα ή πυκνότητα των κόκκων : m (μέση τιμή πυκνότητας στερεών σωματιδίων 2.65 gr/cm 3 ) Φαινόμενη πυκνότητα : m b t m a w (περίπου 1.6 gr/cm 3 για αμμώδη και 1.1 gr/cm 3 για αργιλώδη εδάφη) Πορώδες : n a w t a w (μεταξύ για χοντρόκοκκα και λεπτόκοκκα εδάφη) - 4 -

5 είκτης κενών : e n a (μεταξύ ) w Εδαφική υγρασία κατά βάρος : m m m Εδαφική υγρασία κατ όγκο : w w Βαθμός κορεσμού : S w n w a w 3. Μέτρηση της εδαφικής υγρασίας Ο προσδιορισμός της εδαφικής υγρασίας είναι αναγκαίος σε διάφορες υδρολογικές και άλλες μελέτες. Η εκτίμησή της μπορεί να γίνει με βάση εξισώσεις υδατικού ισοζυγίου και τα αποτελέσματά τους αξιολογούνται με βάση επιτόπιες μετρήσεις. Για τη μέτρηση της εδαφικής υγρασίας οι πλέον διαδεδομένες μέθοδοι είναι : η μέθοδος δειγματοληψιών η μέθοδος πλακιδίων (γύψου κτλ) η μέθοδος τασιμέτρων η μέθοδος νετρονίων η μέθοδος TDR Κατά τη μέθοδο των δειγματοληψιών λαμβάνονται δείγματα εδάφους από συγκεκριμένες θέσεις-βάθη με ειδικό δειγματολήπτη και τοποθετούνται σε κατάλληλα στεγανά δοχεία. Τα δείγματα μεταφέρονται στο εργαστήριο για επεξεργασία και λήψη των αποτελεσμάτων. Η μέθοδος των πλακιδίων βασίζεται στη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ειδικών πλακιδίων (γύψου κτλ) όταν αυτά απορροφούν νερό. Εγκαθίστανται σε συγκεκριμένα βάθη στο έδαφος, η εδαφική υγρασία τα υγραίνει και μεταβάλλει την ηλεκτρική αντίστασή τους που μετράται με ειδική συσκευή (Εικ. 1). Η χρήση της μεθόδου απαιτεί - 5 -

6 ιδιαίτερη προσοχή γιατί η παρουσία αλάτων στο έδαφος επηρεάζει τα αποτελέσματα που συνήθως χρειάζονται διόρθωση (καλιμπράρισμα). (α) (β) Εικόνα 1. Πλακίδια και συσκευές μέτρησης εδαφικής υγρασίας (α), (β) Κατά τη μέθοδο των τασιμέτρων ειδικοί σωλήνες που καταλήγουν σε κεραμική πορώδη κάψα (Εικ. 2) εγκαθίστανται σε συγκεκριμένο βάθος και μετρούν την τάση του εδαφικού νερού που ανάγεται σε υγρασία εδάφους (μέσω των χαρακτηριστικών καμπυλών εδαφικής υγρασίας). (α) (β) Εικόνα 2. Τύποι τασιμέτρων (α) εγκατεστημένων στο έδαφος (β) - 6 -

7 Η μέθοδος των νετρονίων (Εικ. 3) και η μέθοδος TDR (Εικ. 4) είναι οι πλέον σύγχρονες και συνήθως δίνουν τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Ειδικά η μέθοδος TDR, που η αρχή λειτουργίας της βασίζεται στη ροή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας γύρω από ηλεκτρόδια (κυματοδηγούς κτλ), θεωρείται πιο ασφαλής από τη μέθοδο νετρονίων και τελευταία προτιμάται. Από τέτοιες συσκευές μπορεί να λαμβάνονται απ ευθείας οι τιμές της εδαφικής υγρασίας χωρίς να απαιτείται διόρθωση. (α) (β) Εικόνα 3. Σχηματική εγκατάσταση συσκευής νετρονίων (α) και εγκατεστημένη συσκευή για μέτρηση εδαφικής υγρασίας - 7 -

8 Εικόνα 4. Συσκευή αρχής TDR και εξαρτήματα για μέτρηση εδαφικής υγρασίας 4. ιήθηση Όπως έχει αναφερθεί, η διήθηση αποτελεί τη διαδικασία εισόδου του νερού στο έδαφος διαμέσου της επιφάνειάς του. Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν τη διηθητικότητα, την ικανότητα δηλ. του εδάφους στη διήθηση, και σ αυτούς περιλαμβάνονται : η κατάσταση της επιφάνειας του εδάφους και η φυτοκάλυψή της, οι ιδιότητες του εδάφους όπως το πορώδες, η υδραυλική αγωγιμότητα (βλ. επόμενο κεφάλαιο) και η περιεχόμενη στο έδαφος υγρασία. Η διηθητικότητα του εδάφους είναι ευνόητο ότι μειώνεται με την πάροδο του χρόνου και τείνει να πλησιάσει μια σταθερή τιμή που ονομάζεται τελική διηθητικότητα (Σχήμα 3)

9 5. Εκτίμηση της διηθητικότητας Από τις πλέον γνωστές εξισώσεις εκτίμησης της διηθητικότητας είναι οι παρακάτω : Εξίσωση Horton (1940) : f c o c kt f ( f f ) e (1) όπου f η ταχύτητα διήθησης, f c και f o οι τιμές της τελικής και αρχικής διηθητικότητας αντίστοιχα, t ο χρόνος από την έναρξη του φαινομένου και k σταθερά. f Καμπύλη διηθητικότητας Ένταση βροχής Επιφανειακή απορροή f c Τελική διηθητικότητα χρόνος Σχήμα 3. Εξέλιξη του φαινομένου της διήθησης Η εξίσωση Philip (1957) που περιγράφει την ταχύτητα διήθησης δίνεται από τη σχέση (2α) που προέρχεται από διαφόριση της (3β) που εκφράζει την αθροιστική διήθηση σε χρόνο t από την έναρξη της διήθησης. f 1 2 S t 1 / 2 f c ( 2α ) F S t 1 / 2 f c t ( 2β ) όπου S σταθερή που ονομάζεται απορροφητικότητα. Κατά την εφαρμογή των αρδεύσεων η πλέον γνωστή εξίσωση για την περιγραφή του φαινομένου της διήθησης είναι αυτή του Kotiako (1932) που περιγράφεται ως : n F k t ( 3α ) όπου F η αθροιστική διηθητικότητα και k, n τιμές που υπολογίζονται πειραματικά (0<n<1). H παραγώγιση της (3α) δίνει την παρακάτω εξίσωση που περιγράφει τη στιγμιαία διηθητικότητα

10 n1 f n k t (3β) Οι τιμές των k, n υπολογίζονται από τα δεδομένα μετρήσεων της αθροιστικής διηθητικότητας. Η εξίσωση (3α ) μετατρέπεται σε γραμμική με λογαρίθμηση των μελών της οπότε : log F log k n log t (3γ) Τα k, n υπολογίζονται είτε με τη γραφική μέθοδο είτε με τη μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων, όπως περιγράφονται στις σημειώσεις που έχουν ανέβει στο ecla. Άλλες εξισώσεις που συχνά χρησιμοποιούνται για τη μελέτη του φαινομένου της διήθησης είναι αυτές των Green Ampt (1911) και Holtan (1961). Για την εκτίμηση των απωλειών νερού που προέρχεται από βροχοπτώσεις σε υδρολογικές λεκάνες και στις οποίες απώλειες σημαντικότατο ποσοστό οφείλεται στη διήθηση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν γενικευμένες εξισώσεις διηθητικότητας για την εκτίμησή του. Εκτός των μεθόδων αυτών, για την εκτίμηση των απωλειών διήθησης πολύ συχνά χρησιμοποιούνται οι λεγόμενοι δείκτες διήθησης με πλέον γνωστή τη μέθοδο του δείκτη Φ. Ο δείκτης Φ καθορίζει την μέση ένταση της βροχής πάνω από την οποία ο όγκος της βροχόπτωσης ισούται με τον όγκο της απορροής (Σχήμα 4). ένταση βροχής καθαρή βροχή δείκτης Φ απώλειες χρόνος Σχήμα 4. Απώλειες διήθησης με τη μέθοδο του δείκτη Φ

11 6. Μέτρηση της διηθητικότητας Η χρησιμοποιούμενη μέθοδος μέτρησης της διηθητικότητας πρέπει να προσομοιάζει τις φυσικές συνθήκες του φαινομένου. Αυτές διαφέρουν κατά πολύ όταν πρόκειται για διήθηση προκαλούμενη από βροχόπτωση σε μια υδρολογική λεκάνη ή από την άρδευση μιας περιοχής π.χ. με αυλάκια ή κατάκλυση. Για τη μέτρηση της διηθητικότητας συνήθως χρησιμοποιείται η μέθοδος των δύο ομόκεντρων (ομοαξονικών) δακτυλίων (Παπαζαφειρίου 1984, Τσακίρης 1986, Chow κ.α. 1988, Wilon 1974) που περιγράφει την κατακόρυφη διήθηση και έχει προταθεί από το Υπουργείο Γεωργίας των Η.Π.Α. (U.S.D.Α. S.C.S.). Οι δακτύλιοι αυτοί, cm, εμπήγνυνται ομοοαξονικά στο έδαφος σε βάθος cm και γεμίζονται με νερό ενώ με κατάλληλο μηχανισμό μετράται η πτώση στάθμής στον εσωτερικό δακτύλιο. O εξωτερικός δακτύλιος χρησιμοποιείται για την αποφυγή της πλευρικής κίνησης του νερού στον εσωτερικό δακτύλιο (Σχήμα 5). Οι μετρήσεις που λαμβάνονται από την πτώση της στάθμής σε καθορισμένους χρόνους στον εσωτερικό δακτύλιο χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της καμπύλης της αθροιστικής διηθητικότητας. Αντί των δύο δακτυλίων είναι δυνατό για χρησιμοποιηθεί ένας δακτύλιος διαμέτρου 30 cm και ύψους 40 cm που εμπήγνυνται όμως σε βάθος cm και συχνά ονομάζεται διηθητόμετρο εφαρμογής αρδεύσεων (Παπαζαφειρίου 1984). Στη συσκευή αυτή η μέτρηση της αθροιστικής διηθητικότητας γίνεται με τον ίδιο τρόπο των δύο ομόκεντρων (ομοαξονικών) δακτυλίων

12 Σχήμα 5. ιάταξη των δύο ομοαξονικών δακτυλίων για τη μέτρηση της διηθητικότητας. Εικόνα 5. Εξοπλισμός ομοαξονικών δακτυλίων για τη μέτρηση της διηθητικότητας