ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ 6. ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΝΕΡΩΝ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ 6. ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΝΕΡΩΝ

6.1 ΓΕΝΙΚΑ Το νερό που υπάρχει στη φύση και χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο: - Επιφανειακό: Το νερό των λιμνών και των ποταμών. -Υπόγειο: Νερό αποθηκευμένο ή κινείται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν τους υπόγειους από τους επιφανειακούς πόρους (Λατινόπουλος, 1986): α) Χωρική κατανομή Τα επιφανειακά νερά εμφανίζονται τοπικά (λίμνες) ή ακολουθούν συγκεκριμένη πορεία (ποτάμια), ενώ τα υπόγεια νερά καταλαμβάνουν πολύ μεγαλύτερες επιφάνειες. Από άποψη εγκαταστάσεων για την εκμετάλλευση τους, τα επιφανειακά νερά απαιτούν πολλές φορές ιδιαίτερα δαπανηρά συστήματα μεταφοράς, ενώ τα υπόγεια ικανοποιούν σχετικά εύκολα την τοπική ζήτηση με απευθείας αντλήσεις.

β) Χρονική μεταβλητότητα Τα υπόγεια νερά παρουσιάζουν πολύ μικρή μεταβλητότητα στη διάρκεια του χρόνου, ενώ στα επιφανειακά η μεταβλητότητα τους είναι φανερή. Έτσι, τα υδάτινα αποθέματα που αποθηκεύονται στο έδαφος είναι συνήθως μεγάλα και μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες σε διάφορες χρονικές περιόδους. γ) Κόστος εγκαταστάσεων και λειτουργίας Τα έργα συλλογής επιφανειακών νερών έχουν τεράστιο κόστος (φράγματα, ταμιευτήρες, αγωγοί μεταφοράς κλπ.), ενώ το κόστος λειτουργίας τους είναι συνήθως μικρό. Αντίθετα το κόστος των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης υπόγειων νερών (γεωτρήσεις, αντλιοστάσια κλπ.) είναι πολύ χαμηλό, ενώ το κόστος της λειτουργίας και της συντήρησης τους είναι σημαντικό, ιδιαίτερα όταν η άντληση γίνεται από βαθιά υδροφόρα στρώματα. δ) Ποιότητα νερού Πρόκειται για ένα πολύ σημαντικό θέμα στην εκμετάλλευση και διαχείριση των υδατικών πόρων. Τα υπόγεια νερά είναι λιγότερο εκτεθειμένα στη ρύπανση από τα επιφανειακά. Ωστόσο η διαδικασία εξυγίανσης, εφόσον διαπιστωθεί κάποιο φαινόμενο ρύπανσης, είναι πολύ δύσκολη και εξαιρετικά δαπανηρή.

Στόχοι που εξυπηρετούνται από τα υπόγεια υδροφόρα στρώματα (Bear, 1979): α) Αποτελούν πηγές παροχής νερού Είναι η πιο βασική τους λειτουργία. Λόγω της επαναπλήρωσης των αποθεμάτων με τις κατακρημνίσεις, τα υπόγεια νερά θεωρούνται ανανεώσιμοι πόροι. β) Συνιστούν δεξαμενές αποθήκευσης Ιδιαίτερα τα επιφανειακά υδροφόρα στρώματα, λόγω της άμεσης δυνατότητας ανανέωσης των αποθεμάτων τους και των τεράστιων όγκων τους, μπορούν να αποθηκεύσουν εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες. Η αποθηκευτική ικανότητα των στρωμάτων αυτών μπορεί να αυξηθεί ακόμα περισσότερο με την τεχνική του τεχνητού εμπλουτισμού.

γ) Λειτουργούν ως αγωγοί μεταφοράς Η λειτουργία αυτή μπορεί να ενεργοποιηθεί μόνο με την παρέμβαση του ανθρώπινου παράγοντα (π.χ. με τη μεταβολή των τοπικών υδραυλικών συνθηκών). δ) Μπορούν να λειτουργήσουν ως φίλτρα καθαρισμού Με διάφορες τεχνικές τεχνητού εμπλουτισμού, ακάθαρτα επιφανειακά νερά μπορούν να διηθηθούν στο έδαφος για μερικό ή πλήρη καθαρισμό τους. ε) Μπορούν να ρυθμίσουν παροχές επιφανειακών νερών Η λειτουργία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί τόσο στα ποτάμια όσο και στις πηγές, με τη ρύθμιση της στάθμης των υπόγειων νερών (π.χ. με αντλήσεις) στα υδροφόρα στρώματα που επικοινωνούν υδραυλικά με επιφανειακά νερά.

6.2 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΔΑΦΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΥΔΡΟΦΟΡΕΩΝ Πορώδες n ενός εδάφους (ή και πετρώματος): Το μέγεθος που μετράει τον όγκο των διάκενων ή πόρων που υπάρχουν σε ένα συνολικό όγκο. Εκφράζεται σαν λόγος του όγκου των διάκενων U n προς το συνολικό όγκο του εδάφους U που περιλαμβάνει και τα διάκενα αυτά: n U n U Δείκτης πόρων e: Μετρά το ποσοστό των διάκενων ως προς το συνολικό όγκο του στερεού: e U U n s

To πορώδες και ο δείκτης πόρων συνδέονται με τη σχέση: e n 1n Ειδική απόδοση ή ενεργό πορώδες S y ενός εδάφους ή πετρώματος: Το πηλίκο του όγκου U y, στη φάση του κορεσμού, προς το συνολικό όγκο: S U U y y

Η τιμή του ενεργού πορώδους δεν είναι η ίδια πάντα με το πορώδες του ίδιου εδάφους, εξαιτίας του ότι ένα μέρος του συνολικού όγκου του νερού δεν μπορεί να στραγγιστεί με τη βαρύτητα και παραμένει στο έδαφος. Όταν, λοιπόν, σταματήσει η διαδικασία στράγγισης, παραμένει στον υδροφορέα ένας όγκος νερού U r μετριέται με την ειδική κατακράτηση S r : που S U U r r Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει: U U U n n y r S y S r

6.3 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΥΔΡΟΦΟΡΕΩΝ Η ροή του νερού στους υδροφορείς αναφέρεται συνήθως ως ροή σε πορώδη μέσα, αφού έτσι ονομάζονται όλα τα πετρώματα και τα εδάφη που αποτελούνται από ένα στερεό σκελετό, με τη μορφή συνάθροισης στερεών κόκκων που διαχωρίζονται και περιβάλλονται από διάκενα, δηλαδή πόρους ή ρωγμές. Το βασικό κριτήριο για τη γενική ταξινόμηση των υδροφορέων αποτελεί η θέση της ανώτατης στάθμης του νερού στο έδαφος. Θεωρώντας μια τυχαία κατακόρυφη τομή του εδάφους παρατηρούνται δύο ζώνες στις οποίες η κίνηση του νερού γίνεται με τελείως διαφορετικό τρόπο: α) Zώνη αερισμού (Aκόρεστη ζώνη) β) Zώνη κορεσμού (Kορεσμένη ζώνη)

Περιορισμένος ή υπό πίεση υδροφορέας: Περιορίζεται από πάνω και από κάτω από αδιαπέρατους γεωλογικούς σχηματισμούς, τα αδιαπέρατα στρώματα. Χαρακτηριστικό του υπό πίεση υδροφορέα είναι ότι αν ανοιχτεί ένα πηγάδι μέσα του, η στάθμη του νερού στο πηγάδι θα ανέβει ψηλότερα από το πάνω αδιαπέρατο στρώμα και ίσως φθάσει μέχρι την επιφάνεια του εδάφους. Αρτεσιονός περιορισμένος υδροφορέας: Η στάθμη της πιεζομετρικής του επιφάνειας βρίσκεται υψηλότερα από τη στάθμη του εδάφους. Αν στην περίπτωση αυτή ανοιχθεί ένα πηγάδι, τότε το νερό θα τρέχει από αυτό, εξαιτίας της μεγάλης του πίεσης, χωρίς τη βοήθεια αντλητικού συγκροτήματος (αρτεσιανό πηγάδι).

Υπό πίεση υδροφορέας με διαρροή: Το πάνω ή το κάτω ή και τα δυο στρώματα που οριοθετούν ένα περιορισμένο υδροφορέα δεν είναι τελείως αδιαπέρατα (ημιπερατά). Παρόλη τη μεγάλη αντίσταση που προκαλούν οι σχηματισμοί αυτοί στην κίνηση του νερού, όταν πρόκειται για υδροφορείς μεγάλης έκτασης, η ποσότητα του νερού που μπορεί να μπει στον κύριο υδροφορέα είναι πολλές φορές σημαντική. Υδροφορείς με ελεύθερη επιφάνεια: Ενώ το κάτω όριο συμπίπτει με ένα αδιαπέρατό στρώμα, το πάνω όριο τους είναι η ελεύθερη επιφάνεια του υπόγειου νερού. Έτσι κύριο χαρακτηριστικό των υδροφορέων αυτών, είναι ότι τροφοδοτούνται απευθείας με διηθούμενο από την επιφάνεια του εδάφους νερό, εκτός αν και πάλι περιορίζονται από κάποιο υπερκείμενο αδιαπέρατό στρώμα

6.7 ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΜΟΝΙΜΗΣ ΡΟΗΣ 6.7.1. ΥΠΟ ΠΙΕΣΗ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑΣ Για έναν ισότροπο και ομογενή υδροφορέα, η εξίσωση που αναφέρεται στη μόνιμη ροή είναι (Freeze and Cherry, 1979): x y 2 2 h h 0 2 2 Παροχή (νόμος Darcy): dh Q 2 rbk dr r: Ακτίνα κυλινδρικής επιφάνειας (m) b: Πάχος κυλινδρικής επιφάνειας (m) Κ: Υδραυλική αγωγιμότητα (m/sec)

h Q r ln 2bK R H Η: Πιεζομετρικό φορτίο σε απόσταση R (m) h: Πιεζομετρικό φορτίο σε κάθε απόσταση r (m) bk = T: Μεταφορικότητα (transfersivity) (m 2 /sec) Q dh 2 rbk dr

6.7.2 ΕΛΕΥΘΕΡΟΣ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑΣ Μία βασική διαφορά ανάμεσα στη ροή ενός υπό πίεση υδροφορέα και ενός ελεύθερου είναι ότι στον ελεύθερο το πάχος του υδροφορέα μεταβάλλεται. Επομένως, μεταβάλλεται και η διατομή παροχέτευσης νερού στη γεώτρηση άντλησης. Οι σχέσεις που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο γίνονται: Q 2 dh rhk dr H h hdh Q 2 K R r dr r

6.10 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΓΕΩΤΡΗΣΗΣ Η συνολική πτώση στάθμης σε μία γεώτρηση αποτελείται από δύο συνιστώσες: Την πτώση S a που παρατηρείται στο εξωτερικό μέρος της γεώτρησης, και την πτώση S w καθώς το νερό μετακινείται μέσω των φίλτρων στην αντλία. Η δεύτερη πτώση είναι γνωστή ως απώλειες λόγω διαμόρφωσης της γεώτρησης και δίνεται από τη σχέση: n sw CQ L C: Σταθερά (για καλή σχεδίαση γεώτρησης (C < 0.5 min 2 / m 5 ) n: H δύναμη της παροχής (συνήθως: n = 2)

Συνολικές απώλειες γεώτρησης: - Για κατάσταση ισορροπίας (συνθήκες μόνιμης ροής) : s t 2.3Q r log 0 2T r CQ w n L -Για κατάσταση μη ισορροπίας (συνθήκες μη μόνιμης ροής): 2.3Q 2.25Tt n st log CQ L 4T r S 2 w Τ: Μεταφορικότητα υδροφορέα (m 2 /sec) S: Αποθηκευτικότητα υδροφορέα (αδιάστατο)

Η απόδοση της γεώτρησης Ε δίνεται από τις σχέσεις: E s s a t 100ά E s w 1 100ά st Ειδική ικανότητα λ είναι η απόδοση της γεώτρησης για μοναδιαία πτώση στάθμης: Q LT 2 1 s t

6.12 ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΥΔΡΟΦΟΡΕΩΝ Εμπλουτισμός: Η αναπλήρωση των αποθεμάτων υπόγειου νερού από τα επιφανειακά αποθέματα. Φυσικός εμπλουτισμός: Βροχόπτωση Μέθοδοι τεχνητού εμπλουτισμού: 1. Επιφανειακή τροφοδοσία 2. Λάκκοι τροφοδοσίας 3. Φρέατα τροφοδοσίας 4. Επιφερόμενη τροφοδοσία 5. Διάθεση λυμάτων 6.13 ΥΦΑΛΜΥΡΙΝΣΗ Η ανάμιξη αλμυρού και γλυκού νερού. Είναι το πιο συχνό πρόβλημα ρύπανσης του υπόγειου νερού που οφείλεται κυρίως στην είσοδο του θαλάσσιου νερού σε παράκτιους υδροφορείς.

6.13.1. ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΑΛΜΥΡΟΥ ΚΑΙ ΓΛΥΚΟΥ ΝΕΡΟΥ Στο προηγούμενο σχήμα δίνεται η διατομή ενός παράκτιου υδροφορέα. Σε κάθε σημείο της διεπιφάνειας η πίεση του υπερκείμενου γλυκού νερού εξισορροπεί την πίεση του υποκείμενου αλμυρού, ισχύει δηλαδή η σχέση: gz g Z h ή s s f f f hl Ζ: Το βάθος της διεπιφάνειας σε κάθε σημείο (m) ρ s : Η πυκνότητα του αλμυρού νερού (συνήθως: ρ s = 1.026 g/cm 3 ) ρ f : Η πυκνότητα του γλυκού νερού (συνήθως: ρ f = 1.000 g/cm 3 ) h: Το πιεζομετρικό ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας σε κάθε σημείο (m)

Η τελευταία σχέση ονομάζεται εξίσωση των Ghyben - Herberg και αγνοεί την κίνηση του νερού. Για τυπικές τιμές πυκνότητας (ρ s = 1.025 g/cm 3 και ρ f = 1 g/cm 3 ), η εξίσωση λαμβάνει τη μορφή: Z 40h δηλαδή το θαλασσινό νερό συναντάται σε βάθος ίσο με 40 φορές το ύψος του γλυκού νερού, όπως άλλωστε παρατηρείται και στην πράξη.

6.13.2. ΚΩΝΟΣ ΑΝΥΨΩΣΗΣ ΑΛΜΥΡΟΥ ΝΕΡΟΥ Στην περίπτωση όπου ένα στρώμα αλμυρού νερού βρίσκεται κάτω από τη ζώνη του γλυκού νερού και ένα πηγάδι αντλεί μόνο από τη στρώση γλυκού, παρατηρείται μια ανύψωση της διεπιφάνειας αλμυρού και γλυκού νερού. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως κώνος ανύψωσης. Μετά τη σταθεροποίηση του, το φαινόμενο περιγράφεται από τη σχέση: Z Q 2 dk f s f L Κ : Υδραυλική αγωγιμότητα (m/sec) d: Tο βάθος της αρχικής διεπιφάνειας γλυκού - αλμυρού νερού κάτω από τον πυθμένα του φρέατος (m)

Όταν η ανύψωση γίνει κρίσιμη (π.χ, Z/d = 0.3 με 0.5), το αλμυρό νερό φτάνει στο φρέαρ ρυπαίνοντας έτσι την τροφοδοσία. Συνεπώς, η μέγιστη παροχή ώστε να κρατηθεί η ανύψωση κάτω από το κρίσιμο όριο μπορεί να υπολογιστεί αντικαθιστώντας Ζ = 0.5d στην τελευταία εξίσωση: Q d K L T max 2 s f 3 1 f