Εισαγωγή στο μάθημα Εγγειοβελτιωτικά έργα και σε βασικές γνώσεις Υδραυλικής Εισαγωγή Βασικές Έννοιες Δρ Μ.Σπηλιώτη Λέκτορα ΔΠΘ
Ιστορική αναδρομή Γεωργική επανάσταση Σημασία των υδραυλικών έργων (αρδευτικά δίκτυα) στους πρώτους πολιτισμούς στη Μεσοποταμία, το Νείλο και την Κίνα Καταστροφή του πολιτισμού των Μάγια από ξηρασίες Αριστοτέλης: μελέτη για τις συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου Αρχαίες πόλεις και επίπεδο υγιεινής Μεγάλα υδραυλικά έργα από τους ρωμαίους, υψηλής ανθεκτικότητας Πτώση υγιεινής στη Δύση κατά το Μεσαίωνα και επιδημίες σε αστικούς πληθυσμούς Ανεπάρκεια γνώσεων και στασιμότητα Αναγέννηση Ανάπτυξη κρατών και πολιτισμών είχαν ωε προϋπόθεση την ανάπτυξη έργων και μέτρων διαχείρισης υδατικών πόρων
Ρωμέικο Υδραγωγείο ιστορικές στρεβλώσεις Επίσης, Μεγάλα Υδραυλικά έργα Αράβων
Δημιουργία αποχετευτικών δικτύων στις Δυτικές μητροπόλεις Βιομηχανική επανάσταση Μεγάλη ώθηση της επιστήμης και της τεχνικής, Υδραυλικής Χρήση αντλιών Κατασκευή φραγμάτων Επινόηση της Υδρολογίας Εγκαταστάσεις υγιεινής Ανεπτυγμένες χώρες του Βορρά, υπερεπάρκεια υδατικού δυναμικού, πρόβλημα ποιότητας σε αντίθεση με το Νότο Επινόηση της συστημικής προσέγγισης, διαχείριση υδατικών πόρων Προκλήσεις Κλιματική αλλαγή Αύξηση πληθυσμού Οικονομική ξηρασία Ολοκληρωμένη διαχείριση και προσαρμοστική διαχείριση
Βασική προϋπόθεση ανάπτυξης αρχαίων πολιτισμών Ελλάδα πρώτο εγγειοβελτιωτικό: 1856 Μεγάλη ώθηση εξαιτίας του προσφυγικού προβλήματος Πτώση στη δεκαετία 40 50 Σημαντική αύξηση μέχρι το 1980 Προβλήματα σωστής ένταξης των εγγειοβελτιωτικών έργων στη ΔΥΠ Προβλήματα κακής συντήρησης και κακής λειτουργίας Ανταγωνιστικότητα ελληνικής γεωργίας και παραγωγική ανασυγκρότηση
Δυνατότητες και προοπτικές
Τσακίρης, 2008
Απώλειες δικτύων
Διαχωρισμός δικτύων Άρδευση στο αγροτεμάχιο Συλλογικό δίκτυο Ατομικό δίκτυο
Άρδευση στο αγροτεμάχιο, παραδειγμα
υδροστόμιο Μονάδα άρδευσης
Ατομικό δίκτυο
Παθογένειες Τσακίρης, 2008
Ολιστική αντιμετώπιση
Βασικές αρχές Υδρολογίας για τον υπολογισμό των καλλιεργειών Στοιχεία εδάφους (τα απολύτως απαραίτητα) Γνώση καλλιεργειών (τα απολύτως απαραίτητα) Υδραυλική ανοικτών και κλειστών αγωγών Οικονομοτεχνικά στοιχεία Ακόρεστη ροή/στραγγίσεις Βελτιστοποίηση (απλή αναφορά στα πλαίσια του μαθήματος) ) Ανάλυση αβεβαιότητας
Εισαγωγή/ Υδατικός πόρος/υδατικό ό σύστημα / Διαχείριση νερού/ αποδοτικότητα αρδεύσεων Ανάγκες σε νερό Στοιχεία εδάφους Άρδευση στο αγροτεμάχιο Συλλογικά δίκτυα Αναφορά σε στραγγίσεις Αναφορά σε οικονομοτεχνικά στοιχεία Αναφορά και προαιρετικό ρ θέμα στο βέλτιστο σχεδιασμό Εκπαιδευτική εκδρομή
Διαθέσιμοι υδατικοί πόροι (μεγάλοι σπατάλη από επιφανειακά είδη άρδευσης) Μετωρολογικές συνθήκες: Αποφυγή συστημάτων καταιονισμού μεγάλης ακτίνας σε ανεμόπληκτες περιοχές Τοπογραφία, αποφυγή επιφανειακών μεθόδων όταν υπάρχουν σημαντικές για την περίπτωση κλίσεις. Καλλιέργειες (π.χ. χ βιομηχανική ντομάτα, όχι καταιονισμός) (παράγοντες «άσχετοι» με την Υδραυλική): Τεχνογνωσία αγροτών και διαθέσιμοι οικονομικοί και ανθρώπινοι πόροι
Ξηρότητα: Μόνιμο φαινόμενο: P/ET P Ξηρασία : μη μόνιμο φαινόμενο που «σέρνεται» Πολλοί ορισμοί και δείκτες Δύσκολο να ορισθεί η αρχή της Π.χ. Δείκτης ΡDI (πλεονέκτημα λαμβάνει υπόψη και τη θερμοκρασία) Ξηρασία απόκλιση από τις κανονικές τιμές. Βήματα: Τριμηνιαίο, εξαμηνιαίο, εννεάμηνο, δωδεκάμηνο Με τη δυναμική εξατμισδιαπνοή λαμβάνεται υπόψη περισσότεροι παράμετροι k RDI n k P j j 1 k j 1 ET p, j, k k 1 k
Ξηρό κλίμα (π.χ. περιοχή Ασσουάν) Ημίξηρο (Savanna, Steppe, Μεσογειακό) Ύφυγρο (Μουσώνες, ύπαρξη περιόδου ξηρασίας) ) Υγρό
Τσακίρης, 2008
Υδατικοί πόροι στην Ελλάδα: σημαντική ανομοιομορφία
Λειψυδρία Προσωρινή κατάσταση Φυσικά Αίτια Ξηρασία (drought) Ανθρωπογενή Αίτια Έλλειμμα Νερού (water shortage) Μόνιμη Ξηρότητα Λειψυδρία κατάσταση (aridity) Ερημοποίηση (Desertification) Λειψυδρία: μόνιμη ή περιστασιακή περίπτωση όπου η ζήτηση υπερβαίνει τους αξιοποιήσιμους υδατικούς πόρους. Αίτια: Ανθρωπογενή (αύξηση του πληθυσμού, η έλλειψη υποδομών κ.ά) Φυσικά Συνδυασμός Ξηρασία: Το φαινόμενο κατά το οποίο οι ποσότητες εισερχόμενου διαθέσιμου νερού σε ένα σύστημα είναι κάτω από τις κανονικές για μία σημαντική χρονική περίοδο (Τσακίρης, 2013) 31
ΖΗΤΗΣΗ ΝΕΡΟΥ Ζήτηση/ / Αά Ανάγκες Τομείς: Ύδρευση Τουρισμός Βιομηχανία Παραγωγή Ενέργειας Γεωργία Περιβάλλον Αισθητική αναβάθμιση
Από waterinfo.gr
Άρδευση στην Ελλάδα βασικός καταναλωτής νερού, 85% ΔΥΠ ί λ φθ ί δ ό ΔΥΠ χωρίς να συμπεριληφθεί η αρδευόμενη γεωργία είναι κενό γράμμα για τη χώρα
Έλλειψη υποδομών στο τρίτο κόσμο Οικονομική ξηρασία
Προκλήσεις. Κατανομή ζήτησης στην Ελλάδα και στον κόσμο Λόγοι Αύξησης της ζήτησης Αύξηση Πληθυσμού Αύξηση Αρδευόμενων εκτάσεων Αστικοποίηση και συγκέντρωση πληθυσμού στα αστικά κέντρα Κλιματική αλλαγή Ανάπτυξη Άνοδος πολιτιστικού επιπέδου \ νέες ανάγκες Κλιματική αλλαγή: Ένταση ακραίων φαινομένων, μείωση βροχόπτωσης, αύξηση θερμοκρασίας στο ΜΕΣΟΓΕΙΑΚΌ ΧΏΡΟ Θεώρηση υδατικων σωμάτων, αναβάθμιση οικοσυστημάτων
Αστική χρήση νερού Μη κοστολογημένο νερό
Αστική χρήση νερού Μη κοστολογημένο νερό
Πρόβλεψη αύξησης πληθυσμού, ραγδαία στο Νότο της Μεσογείου
Παραγωγικότητα νερού Όφελος (ήφ φυσικές μονάδες) ) (ετήσιο) ή ανά m 3 νερού (ετήσιο) ΝΒ/ Β/W, ( / m 3 ). Εξαρτάται: είδος καλλιέργειας συνθήκες εδάφους και κλίματος στην περιοχή διαθεσιμότητα νερού πρακτική αρδεύσεων οικονομικές πρακτικές Διακύμανση παραγωγικότητας νερού ανά περιοχή, αντικειμενικές και υποκειμενικές συνθήκες
Τσακίρης, 2014
Είδος δικτύων
Προσέγγιση (Μόνιμη) Ομοιόμορφης Προϋποθέσεις Ισορροπία δυνάμεων ροής Μη μεταβολή της διατομής Μη μεταβολή της τραχύτητας των στερεών ορίων
Μόνιμη Ομοιόμορφη ροή, ανοικτοί αγωγοί: Ομοιόμορφη ροή όταν το ύψος ροής παραμένει σταθερό που είναι ταυτόσημο με τη θεώρηση σταθερής ταχύτητας β νόμος του Νέυτωνα άθροισμα δυνάμεων μηδέν, ισορροπία μεταξύ της δυνάμης βάρους (οριζόντια συνιστώσα) με τη δύναμη αντίσταση στη ροή λόγω τριβής Εφόσον το ύψος ροής παραμένει το ίδιο (κανονικό βάθος ροής) και για υδροστατική κατανομή της πίεσης, οι δυνάμεις πίεσης στον όγκο ελέγχου αλληλοεξουδετερώνονται Μόνιμη Ομοιόμορφη ροή, κλειστοί αγωγοί: Διατήρηση της ορμής σε κυκλικό αγωγό υπό πίεση με μόνιμη ροή, σταθερή διατομή σταθερή ταχύτητα (άρα για σταθερή διατομή έχω ομοιόμορφη ροή), β νόμος του Νέυτωνα άθροισμα δυνάμεων μηδέν, ισορροπία μεταξύ των δυνάμεων πιέσεως και βάρους με τη δύναμη αντίστασηλόγωτριβής(για οριζόντιο αγωγό ισορροπία μεταξύ δυνάμεων τριβής και πιέσεως Απειροστός όγκος ελέγχου, η πίεση σταθερή σε όλο το ύψος της διατομής, διαφέρει κατά τον άξονα της ροής από θέση σε θέση
Διατμητική τάση, ανοικτή αγωγοί, ομοιόμορφη ροή Σχόλιο: Όλη η βρεχόμενη περίμετρος συνυπολογίζετ αι κατά τον προσδιορισμό της δύναμης λόγο τριβών
Κυριότερες διαφορές ανοικτών και κλειστών Αγωγών Κατά την ροή σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση το ρευστό καταλαμβάνει όλη την διατομή ενώ σε ανοικτούς αγωγούς το ρευστό σχηματίζει ελεύθερη επιφάνεια. Η πίεση σε μία διατομή σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση θεωρείται σταθερή, ενώ στους ανοικτούς αγωγούς αν δεν υπάρχουν ιδιαίτερες καμπυλώσεις ακολουθεί υδροστατική κατανομή. Στους κλειστούς αγωγούς είναι δυνατή η ροή και σε ανωφέρειες αγωγών (αρκεί η αρχική και η τελική θέση να εξασφαλίζουν επαρκές ύψος πίεσης σε κάθε σημείο του δικτύου) ενώ σε ανοικτούς αγωγούς οι ανωφέρειες είναι δυνατές μόνο σε μικρά τμήματα της ροής (π.χ. εκχειλιστές). Κατά τη ροή σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση, αγνοώντας τις τοπικές απώλειες ενέργειας και τις συνακόλουθες δευτερεύουσες ροές, ομοιόμορφη ροή (σταθερή ταχύτητα κατά μήκος του αγωγού), γ επιτυγχάνεται σχετικά εύκολα: σταθερή διαμέτρος σε ένα μήκος αγωγού. γ Η συνθήκη ομοιόμορφης ροής σε ανοικτούς αγωγούς είναι πιο δυσχερής, προϋποθέτει σημαντικό μήκος ενώ μεσολαβούν μεταβατικές περιοχές ταχέως μεταβαλλόμενης ροής και βραδέως μεταβαλλόμενης ροής όπως στο σχήμα. Σε κλειστούς αγωγούς γ ςμπορούν σχετικά εύκολα να κατανικηθούν σημαντικές ανωφέρειες με τη χρήση αντλιών Στους κλειστούς αγωγούς υπό πίεση συνήθως χρησιμοποιείται μόνο κυκλικός αγωγός ενώ σε ανοικτούς αγωγούς μία ποικιλία διατομών.
p 1 p 2 σταθερή πίεση σε διατομή υδροστατική κατανομή της πίεσης ανά διατομή με βάση το βάθος ροής Σχ. Κατανομή της πίεσης σε διατομή σε κλειστούς και ανοικτούς αγωγούς
Aνοικτοί αγωγοί: Υδροστατική κατανομή της πίεσης σε κάθε διατομή Συγκεκριμένα, η πίεση σε τυχαίο σημείο ομογενούς υγρού σε βάθος h κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια ισούται με την πίεση στην ελεύθερη επιφάνεια αυξημένη κατά το γινόμενο του ειδικού βάρους του υγρού επί την κατακόρυφη απόσταση από την ελεύθερη επιφάνεια h. p o (πίεση στην ελεύθερη επιφάνεια) Σύστημα αξόνων h dp dz g g p=p o +γh
Μη υδροστατική κατανομή της πίεσης σε κυρτές επιφάνειες ανοικτών Μη υδροστατική κατανομή της πίεσης σε κυρτές επιφάνειες ανοικτών αγωγών
μόνο για μικρά τμήματα, απαγορευτική αυτή η λύση κατά το σχεδιασμό ανοικτών αγωγών (π.χ. αποχέτευση οικισμών) Γ.Ε. είναι δυνατή η ανωφέρεια σε κλειστούς αγωγούς Σχ. Ανωφέρειες σε κλειστούς και ανοικτούς αγωγούς
Δύσκολα επιτεύξιμη η ομοιόμορφη ροή στους ανοικτούς αγωγούς
Κλειστοί αγωγοί, εύκολα επιτεύξιμη η ομοιόμορφη ροή για σταθερή ήδιατομή Mόνιμη ροή, Q = ΣΤΑΘ D= ΣΤΑΘ V=ΣΤΑΘ Q= A V Σχ. Ομοιόμορφη ροή σε κλειστούς και ανοικτούς αγωγούς
Βασικές εξισώσεις στην υδραυλική 1) Συνέχειας (μάζας) Σε μόνιμη ροή το άθροισμα των παροχών που εισρέουν σε ένα όγκο ελέγχου είναι ίσο με το άθροισμα των παροχών που εκρέουν: Q in Q out
Εξίσωση συνέχειας σε κλειστούς αγωγούς Ομοιόμορφη ροή σε κλειστούς αγωγούς Για μόνιμη μονοδιάστατη ροή σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση με ένα κλάδο αγωγού)δεν συμβάλλουν άλλοι αγωγοί) τότε για σταθερή διάμετρο θεωρείται σταθερή ταχύτητα (ομοιόμορφη ροή), ανεξάρτητα από το ανάγλυφο. Πράγματι: Q A V 2 D V A, D 4
Ολικό ύψος ενέργειας: Ύψος πίεσης Ύψος ταχύτητας Ύψος θέσης
1) Αρχή της διατήρησης ης της ενέργειας. To ύψος της γραμμής ενέργειας σε μία θέση 1 (H 1 ) είναι ίσο με το ύψος ενέργειας σε μία κατάντη θέση 2 (H 2 ) μαζί με τις απώλειες στη διαδρομή 1 2 Σh f,1 2 : H 1 =H 2 + Σh f, 1 2 Σημειώνεται ότι σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση για μόνιμη ροή το ύψος ενεργείας H 1 σε μονάδες μήκους στη θέση (1) αποτελείται: Από την υψομετρική στάθμη (z 1 ) 1 To ύψος πίεσης Το ύψος κινητικής ενέργειας 1 2 Δηλαδή: 1 1 2 H 1 = z 1 + 1 + 1 2 2 2 H 2 2 = z 2 + + 2 2
Ολικό ύψος ενέργειας: Ύψος πίεσης Ύψος ταχύτητας Ύψος θέσης
Ενέργειας
Η πίεση σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση μπορεί να θεωρηθεί σταθερή για μία διατομή. Αντίθετα στους ανοικτούς αγωγούς η πίεση σε μία διατομή δεν είναι σταθερή αλλά ακολουθεί την υδροστατική κατανομή καθ ύψος (εξαιρείται ο καμπύλος πυθμένας). Κατά συνέπεια το ύψος πίεσης και το ύψος θέσης ταυτίζονται από τη στάθμη της ελεύθερης επιφανείας από τον άξονα αναφοράς Oπότε σε ανοικτούς αγωγούς ισχύει: = 1 H 2 1 z 1 + 1 ά ή + 2 H 2 = z 2 + 2 ά ή + 2 2 2 H 1 =H 2 + Σh f, 1 2 Σχόλιο: Προφανώς, το βάθος ροής είναι άμεσα ορατό ενώ το ύψος πίεσης σε χ ρ φ ς ς ρ ής μ ρ ψ ς ης αγωγούς υπό πίεση μπορεί να μετρηθεί μόνο με τη βοήθεια μανομέτρου.
V 1 2 /(2g) h f y 1 V 2 2 /(2g) y 2 z 1 z 2 άξονας z = 0 Σχ. Σκαρίφημα που δείχνει την αρχή διατήρησης της ενέργειας για ένα τμήμα του ανοικτού αγωγού αγωγού 1 2.
Άτοπο!!! Ανάγκη συμπερίληψης των απωλειών ενέργειας σε μεγάλη μήκη L Αν δεν λάβω υπόψη τις απώλειες ενέργειας ισχύει: 2 2 p A v A pb v B za zb za z ά g g 2g ρg 2g Λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες ενέργειας ισχύει: 2 2 p A v A p B v B za zb hf g 2g ρg 2g z z z h A B f Οι συνολικές απώλειες ενέργειας είναι ίσες με την υψομετρική διαφορά των στάθμεων των ελευθέρων επιφανειών (μεταξύ των δύο δεξαμενών) Το νερό έχει μνήμη προσμετρά τις απώλειες για όλο το μήκος του αγωγού L
Γραμμή ενέργειας σε ένα αγωγό (χωρίς αντλία) Γραμμή ενεργείας: ο γεωμετρικός τόπος του ύψος θέσης, του ύψους πίεσης και του ύψους κινητικής ενέργειας Πάντοτε πτωτική από τη διατήρηση της ενέργειας Δεν ισχύει πάντα το ίδιο για την Π.Γ. (βλπ. Επ. μάθημα)
V 1 2 /(2g) h f y 1 V 2 2 /(2g) y 2 z 1 z 2 άξονας z = 0 Σχ. Σκαρίφημα που δείχνει την αρχή διατήρησης της ενέργειας για ένα τμήμα του ανοικτού αγωγού αγωγού 1 2.
Κύρια σε ανοικτούς αγωγούς Κρίσιμη ροή: Βέλτιστη ειδική ενέργεια
Μεθοδολογικά, εφαρμογή κύρια σε κλειστούς αγωγούς Συνήθως τυρβώδη ροή, Προσδιορισμός f
Ανοικτοί αγωγοί Σχηματίζουν ελεύθερη επιφάνεια Ήπιες κλίσεις, άνοδος πυθμένα μόνο σε τοπικές συναρμογές Η ροή μεταβάλλεται χωρικά με τη διαφορά αναγλύφου Κλειστοί αγωγοί δε σχηματίζουν ελεύθερη επιφάνεια Ευκολία προσαρμογής στο ανάγλυφο Για σταθερή διάμετρο η ταχύτητα δεν μεταβάλλεται (πλην τοπικών διαταραχών) με τη διαφορά αναγλύφου Ποικιλία διατομών Συνήθως κυκλικοί Συνήθως υδροστατική κατανομή των πιέσεων σε μία Συνήθως θεωρείται σταθερή πίεση σε μία διατομή διατομή (π.χ. πλην καμπύλων διατομών) Μόνιμη Ομοιόμορφη ροή, σταθερή ταχύτητα, ισορροπία δυνάμεων Ομοιόμορφη ροή, εξίσωση Manning, ισορροπία δυνάμεων βάρους με την αντίσταση στη ροή από τον πυθμένα και τις όχθες του ανοικτού αγωγού, επίπεδος πυθμένας Εύκολα επιτεύξιμη ομοιόμορφη ροή για σταθερή διάμετρο, ισορροπία μεταξύ δυνάμεων πίεσης και βάρους με την αντίσταση λόγω τριβών τριβές του τοιχωμάτων του αγωγού Η κλίση του πυθμένα ταυτίζεται με την κλίση της γραμμής ενέργειας στην ομοιόμορφη ροή Η κλίση ενέργειας καθορίζεται από την κλίση των γραμμικών απωλειών δεν ισχύει ότι και στους ανοικτούς αγωγούς Μεθοδολογικά, συνήθως χρησιμοποιείται η ειδική ενέργεια Μεθοδολογικά, συνήθως χρησιμοποιείται ο αριθμός Fr (προσοχή στον τύπο της διατομής) Χρήση: Αποχετεύσεις ομβρίων και ακαθάρτων, αρδεύσεις για μεγάλες παροχές κλπ. Μεθοδολογικά, συνήθως χρησιμοποιείται η πιεζομετρική γραμμή Μεθοδολογικά, συνήθως χρησιμοποιείται ο αριθμός Re Χρήση: Δυσκολία αναγλύφου, δίκτυα διανομής, υποχρεωτικά σε δίκτυα διανομής οικισμών.