Υπόγεια Νερά και η ιαχείριση τους

Υπόγεια Νερά και η ιαχείριση τους Αριστοτέλης Μαντόγλου Μάρτιος 2004 1 Το νερό είναι ένας από τους πολυτιµότερους πόρους για την ανθρωπότητα Οι υπάρχουσες ποσότητες νερού αρκούν για να καλύψουν τις ανάγκες µας Το νερό καλύπτει περίπου το 70% της επιφάνειας της γης (Η γη αποκαλείται και σαν ο µπλε πλανήτης). Περιορισµοί Η κατανοµή του νερού στο χώρο και το χρόνο είναι ανοµοιόµορφη Προβλήµατα ποιότητας νερού λόγω ρύπανσης, υφαλµύρωσης παράκτιων υδροφορέων, κλπ. περιορίζουν τους εκµεταλλεύσιµους υδατικούς πόρους ηµιουργούνται προβλήµατα ανεπάρκειας νερού (πχ. στα νησιά το καλοκαίρι) 2 1

Κατανοµή νερού στο γήινο σύστηµα Αποθέµατα νερού στα γήινα υποσυστήµατα. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Κατηγορία Όγκος (χιλιάδες km3) % συνολικού Μέσος χρόνος παραµονής ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Συνολικά 1,403,377 100 2,800 έτη Ωκεανοί 1,370,000 97.6 3,000 έως 30,000 έτη Χιόνια και πάγοι 29,000 2.07 1 to 16,000 έτη Υπόγεια νερά έως 1 km 4,000 0.28 Από ηµέρες έως χιλιάδες χρόνια Λίµνες και ταµιευτήρες 125 0.009 1 to 100 έτη Αλµυρές λίµνες 104 0.007 10 to 1,000 έτη Εδαφική υγρασία 65 0.005 2 βδοµάδες έως 1 έτη Υγρασία σε φυτά και ζώα 65 0.005 1 βδοµάδα Ατµόσφαιρα 13 0.001 8 to 10 ηµέρες Υγροβιότοποι 3.6 0.003 Από εβδοµάδες έως έτη Ποτάµια και ρέµατα 1.7 0.0001 10 to 30 ηµέρες ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 Κατανοµή νερού ξηράς Νερό µε µορφή πάγου (πόλοι, παγετώνες) Υπεδάφιο νερό (Βάθος < 4.000 m) Εδαφικό νερό Ποτάµιο νερό Λιµναίο γλυκό νερό Λιµναίο αλµυρό νερό Σύνολο 3 15 V( m 10 ) 28.78 (76.063%) 8.76 (23.152%) 0.0670 (0.177%) 0.0012 (0.003%) 0.1204 (0.318%) 0.1084 (0.287%) 37.8370 (100%) Χρόνος παραµονής 10-1.000 χρόνια 2 εβδοµάδες - 10.000 χρόνια 2 εβδοµάδες -1 έτος 2 εβδοµάδες 10 χρόνια 4 2

Κατανοµή τουεκµεταλλεύσιµου νερού στα διάφορα υποσυστήµατα Ατµοσφαιρικό νερό Επιφανειακό νερό (Λίµνες, ποταµοί) Εδαφικό νερό Υπεδάφιο νερό (Βάθος < 800 m) Σύνολο 3 15 V( m 10 ) 0.013 (0.29%) 0.122 (2.77%) 0.067 (1.52%) 4.208 (95.42%) 4.410 (100%) 5 Μετά τους πάγους η επόµενη µεγαλύτερη δεξαµενή αποθήκευσης γλυκού νερού είναι τα υπόγεια νερά. Υπόγεια νερά: κινούνται πολύ αργά, είναι πολύ ευαίσθητα στη ρύπανση Ο χρόνος παραµονής είναι κρίσιµη παράµετρος στη διαχείριση των υδατικών πόρων Ανοµοιόµορφη κατανοµή των υδατικών πόρων Μεγάλης κλίµακας µεταβολές λόγω κλίµατος Μικρής κλίµακας µεταβολές λόγω τοπογραφίας, βλάστησης, κλπ. 6 3

7 Ανάγκες σε Νερό Οι ανάγκες σε νερό διακρίνονται ανάλογα µε τη χρήση σε οικιακές, βιοµηχανικές και γεωργικές Η γεωργία χρησιµοποιεί περίπου το 69% της συνολικής ποσότητας νερού Η βιοµηχανία χρησιµοποιεί περίπου το 25% της συνολικής ποσότητας νερού, (κυρίως για την ψύξη µηχανηµάτων) Σε πολλές υπό ανάπτυξη χώρες, η χρήση νερού είναι αναποτελεσµατική και υπάρχει µεγάλη σπάταλη νερού. Το 60-70% του νερού που χρησιµοποιείται για αρδεύσεις δεν φτάνει ποτέ στα φυτά για τα οποία προορίζεται εδοµένης της σπουδαιότητας των υδατικών πόρων η σωστή διαχείριση τους είναι κρίσιµης σηµασίας 8 4

9 10 5

Υδρολογικός Κύκλος 11 Υδρολογικός κύκλος Ο υδρολογικός κύκλος βασίζεται στην ηλιακή ενέργεια κίνηση του νερού στα γήινα υποσυστήµατα οφείλεται στην βαρύτητα: Απορροές 40000 km3 12 6

Υπόγεια νερά Συµµετοχή Υπογείων Νερών στον Υδρολογικό κύκλο κατακόρυφη διήθηση (βαρύτητα και τριχοειδή φαινόµενα) υπόγεια ροή (βαρύτητα) έξοδος νερού στη επιφάνεια πηγές τροφοδοσία αποδεκτών (λίµνες, ποτάµια, θάλασσα) Μετά τους παγετώνες η µεγαλύτερη δεξαµενή γλυκού νερού είναι τα υπόγεια νερά Σε πολλές περιοχές η παροχές απόληψης των υπόγειων νερών είναι µεγαλύτερες από αυτές τις τροφοδοσίας τους. Πολλοί υδροφορείς τροφοδοτούνται µε πολύ αργούς ρυθµούς και θα χρειαστούν χιλιάδες χρόνια να ξαναγεµίσουν εάν αδειάσουν. Καθιζήσεις εδαφών: Η απόληψη µεγάλων ποσοτήτων νερού είναι αιτία οι πορώδεις σχηµατισµοί να συρρικνωθούν µε αποτέλεσµα την καθίζηση των εδαφών και υποχώρηση του εδάφους που βρίσκεται πάνω τους Υφαλµύρωση παράκτιων υδροφορέων: µπορεί να συµβεί σε παράκτιες περιοχές όπου ποσότητες νερού που αντλούνται αναπληρώνονται µε αλµυρό νερό. 13 14 7

15 Ροή Υπόγειων Νερών 16 8

Συµµετοχή της εδαφικής υγρασίας στον υδρολογικό κύκλο Βροχόπτωση: από την ατµόσφαιρα στην επιφάνεια της γης Εξάτµιση: από την επιφάνεια της γης στην ατµόσφαιρα ιαπνοή: από τα φυτά στην ατµόσφαιρα Εξατµισοδιαπνοή (ET): (άθροισµα εξάτµισης και διαπνοής) µέση ετήσια τιµή 650 mm/yr ιήθηση: από το έδαφος, προς τα υπόγεια νερά που βρίσκονται σε µικρό βάθος Επιφανειακή απορροή: η θετική διαφορά µεταξύ βροχόπτωσης και (ET+ διήθησης). Παρέχει νερό στα ποτάµια, και ρέµατα Υπόγεια ροή 17 ιήθηση: η βροχόπτωση η οποία δεν εξατµίζεται διηθείται δια µέσω του εδάφους και διαπερατών βράχων. Ζώνη κορεσµού: τα χαµηλότερα στρώµατα του εδάφους όπου τα κενά των πόρων είναι γεµάτα µε νερό Ελεύθερη επιφάνεια: το πάνω µέρος της ζώνης κορεσµού. Ζώνη αερισµού: η ζώνη εδάφους πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια και η οποία είναι γεµάτη µε αέρα και εδαφική υγρασία Ζώνες φόρτισης: περιοχές στις οποίες υπάρχει φόρτιση των υδροφορέων από βροχοπτώσεις. Γενικά είναι ορεινές περιοχές 18 9

Ζώνες κίνησης υπογείου νερού Ζώνη αερισµού η ακόρεστη ζώνη το νερό δε καλύπτει όλο το όγκο των διακένων Ζώνη κορεσµού το νερό καλύπτει όλο τον όγκο των διακένων ελεύθερη επιφάνεια, η υδροφόρος ορίζοντας πάνω όριο ζώνης κορεσµού πίεση ίση µε ατµοσφαιρική (p=0) Ακόρεστη ζώνη καλύπτει το ύψος από την ελεύθέρη επιφάνεια µέχρι την επιφάνεια του εδάφους χωρίζεται σε τρεις ζώνες ζώνη εδαφικού νερού ενδιάµεση ζώνη ζώνη τριχοειδούς κίνηση εξαρτάται από έδαφος, καλλιέργειες, βάθος, υπογείου νερού,... πρωταρχικής σηµασίας σε αρδεύσεις - στραγγίσεις αµελητέα στη κίνηση υπογείων υδάτων 19 Υπόγειοι Υδροφορείς γεωλογικοί σχηµατισµοί περιέχοντες νερό επιτρέπουν την κίνηση του νερού ιαπερατά στρώµατα πχ. αλλουβιακές αποθέσεις άµµων, χαλικιών Αδιαπέρατα στρώµατα, πχ. άργιλοι Ηµιπερατά στρώµατα, πχ. φακοί αργίλου σε εναλλαγή µε αµµώδη δυνατότητα απόληψης νερού 20 10

ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΙ Υ ΡΟΦΟΡΕΙΣ περιορίζονται από στρώµατα χαµηλής διαπερατότητας και τροφοδοτούνται µε νερό από επιφανειακές εκθέσεις 21 ΦΡΕΑΤΙΟΙ Υ ΡΟΦΟΡΕΙΣ έχουν πρόσβαση στη επιφάνεια του εδάφους και το νερό των βροχοπτώσεων διηθείται στους υδροφορείς. 22 11

Υδροφορείς και πηγάδια-γεωτρήσεις 23 Ηκίνηση του νερού εξαρτάται από το πορώδες και την υδραυλική αγωγιµότητα του εδάφους και των πετρωµάτων: Πορώδες: Ο λόγος του όγκου των κενών ως προς τον συνολικό όγκο του πετρώµατος ή του εδάφους. Χαρακτηρίζει το ποσοστό του όγκου που µπορεί να συγκρατήσει νερό. Εξαρτάται από παράγοντες όπως : Οµοιοµορφία ανοµοιόµορφη κατανοµή κόκκων εδάφους δηµιουργεί χαµηλότερο πορώδες επειδή οι µικρότεροι κόκκοι καλύπτουν τα κενά µεταξύ των µεγαλυτέρων κόκκων. Σχήµα κόκκοι µε ακανόνιστα σχήµατα συνήθως έχουν µικρότερο πορώδες Ρήγµατα - ρήγµατα σε βράχους αυξάνουν το πορώδες και δηµιουργούν διόδους για την κίνηση του νερού. 24 12

25 Η µορφή και διάταξη των διακένων και κόκκων εδάφους επηρεάζει την ταχύτητα κίνησης του νερού Υδραυλική αγωγιµότητα: Είναι η ικανότητα του εδάφους να επιτρέπει την κίνηση του νερού δια µέσω των συνδεδεµένων πόρων Εδάφη και πετρώµατα που επιτρέπουν την κίνηση του νερού λέγονται διαπερατά Οι καλύτεροι υδροφορείς έχουν µεγάλο πορώδες και µεγάλη υδραυλική αγωγιµότητα: Οι ψαµµίτες είναι καλοί υδροφορείς. Χονδρόκοκα ιζήµατα (αποθέσεις) σχηµατίζουν υδροφορείς µε εξαιρετική υδραυλική αγωγιµότητα. Λεπτόκοκα ιζήµατα, όπως η άργιλος, µπορεί να έχουν µεγάλο πορώδες αλλά χαµηλή υδραυλική αγωγιµότητα. Εδάφη που περιέχουν άργιλο έχουν υψηλή ικανότητα παρακράτησης του νερού και αυτό τα κάνει ωφέλιµα στην γεωργία. Τα εδάφη αυτά συγκρατούν το νερό και µε αυτό τροφοδοτούν τα φυτά. Παροχή: Είναι ό όγκος νερού που κινείται από µια επιφάνεια εδάφους ανά µονάδα χρόνου. 26 13

27 28 14

29 30 15

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΝΕΡΩΝ Η κατασκευή πηγαδιών άντλησης απαιτεί µικρό κόστος κατασκευής & εγκαταστάσεων Μεγάλο κόστος λειτουργίας (ρεύµα, πετρέλαιο) Συνήθως καλής ποιότητας νερό (φυσικό φιλτράρισµα) Αν προέλθει ρύπανση η εξυγίανση είναι πολύ αργή Εξαιρετικά αργή κίνηση και µεγάλη αποθηκευτική ικανότητα Βραχύχρονο δείγµα δεδοµένων αρκεί να δώσει σαφή εικόνα επιπτώσεων από µακροχρόνιες µεταβολές Σχεδιασµός διαχείρισης υπογείων νερών απαιτεί µακροχρόνια δειγµατοληψία (µικρές ταχύτητες ροής) Απαιτούνται πλήθος στοιχεία και παραµέτρων Μεταβολές και στοιχεία είναι πιο δύσκολο να παρατηρηθούν εύκολα µε επιτόπια ερευνά Θεωρητική υποδοµή και τεχνολογικές δυνατότητες για επιτόπου µετρήσεις έχουν επαρκώς αναπτυχθεί υνατότητα για κατασκευή µοντέλων συστηµάτων υπογείων υδάτων Συµπέρασµα: Οι υπόγειοι υδατικοί πόροι είναι τεράστιας ζωτικής σηµασίας και συνήθως η καλύτερη λύση είναι ο συνδυασµός χρήσεων επιφανειακών και υπογείων υδάτων. 31 Ι ΙΑΙΤΕΡΑΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΥΠΟΓΕΙΩΝ Υ ΑΤΩΝ 1. Κατανοµή στοχώρο Πηγές - σηµειακές υδατορεύµατα - καµπύλες διαδροµές υπόγεια νερά -µεγάλη επιφανειακή κατανοµή = > σταδιακές µεταβολές 2. Παροχές και διαθέσιµα αποθέµατα Επιφανειακά νερά: Υδραυλικά έργα απαιτούνται για τη συγκέντρωση - διανοµή υδάτων Υπόγεια νερά: Ύπαρξη µεγάλου χώρου για φυσική αποθήκευση - ρυθµίζει την χρονική και χωρική κατανοµή της φόρτισης και των απολήψεων 32 16

3. Ετησία και εποχιακή µεταβλητότητα Εποχιακές και ετήσιες µεταβολές είναι µικρότερες στα υπόγεια από ότι στα επιφανειακά νερά εν χάνονται τεράστιες ποσότητες νερού και δεν απαιτούνται πανάκριβα έργα αποθήκευσης - διανοµής Αργή κίνηση - αργή αντίδραση του υδροφορέα 4. Ενέργεια και οικονοµικό κόστος Απαιτείται ενέργεια για την ανύψωση του υπογείου νερού στη επιφάνεια Μικρές δαπάνες για έργα, µεγάλες δαπάνες για αντλήσεις 5. Ποιότητα νερού Υπόγεια νερά λιγότερο εκτεθειµένα στη ρύπανση από τα επιφανειακά νερά Ο καθαρισµός υπογείων υδροφορέων είναι πολύ δύσκολος και απαιτεί πολύ χρόνο Ο υπόγειος υδροφορέας λειτουργεί και σαν φυσικό φίλτρο και προσθέτει διάφορα άλατα 6. Επιπτώσεις στη στράγγιση εδαφών Με τον υποβιβασµό της στάθµης υπογείων υδάτων µε τις αντλήσεις υποβοηθάτε η στράγγιση των εδαφών 33 7. Καθιζήσεις εδαφών αντλήσεις αυξάνουν δυνάµεις µεταξύ κόκκων = > καθιζήσεις µείωση της πίεσης νερού αύξηση πίεσης µεταξύ κόκκων συµπίεση λεπτόκοκων αργιλικών εδαφών 8. εδοµένα και παράµετροι Κύριες πηγές Στάθµες νερού στα σηµεία παρατηρήσεως Οριακές συνθήκες, µεταβλητές εισόδου/εξόδου, παροχές πηγών, ποσότητες αντλήσεων Παράµετροι εδαφών, από δοκιµές αντλήσεων και εργαστηριακές µετρήσεις. Υπάρχει µεγάλη αβεβαιότητα µεγάλη ετερογένεια στο χώρο λάθη µετρήσεων Αρκετά δεδοµένα µπορούν να συλλεχτούν αρκεί να επιλεγεί το κατάλληλο επίπεδο λεπτοµέρειας ανάλυσης 34 17

Λειτουργίες των Υπογείων Υδάτων ηλαδή πως µπορούν να χρησιµοποιηθούν οι ιδιότητες των υπογείων υδροφορέων για συγκεκριµένους στόχους. 1. Πηγή παροχής νερού Υπόγεια νερά συνήθως ανανεώσιµοι πόροι Η επαναπλήρωση του υδροφορέα γίνεται µε βροχοπτώσεις, και από γειτονικά επιφανειακά νερά λιµνών - ποταµών Φυσική ισορροπία µεταξύ εισόδου και εξόδου νερού από το σύστηµα Οι αντλήσεις διαταράσσουν την φυσική ισορροπία: µειώνουν τις στάθµες και απορροές και επιβάλουν νέο σηµείο ισορροπίας Λειτουργία υδροφορέα στο νέο σηµείο ισορροπίας σαν πηγή νερού 2. Υπόγειοι υδροφορεις σαν πηγές εξόρυξης Χρήση του υδροφορέα για µια φορά µόνο σαν µεταλλείο. Μόλις τα αποθέµατα εξαντληθούν ο υδροφορέας είναι άχρηστος 3. εξαµενές αποθήκευσης Μεγάλη έκταση και όγκος διακένων = > τεράστιοι όγκοι αποθήκευσης Σε υδροφορεις µε ελεύθερη επιφάνεια οι όγκοι αυτοί είναι ακόµα µεγαλύτεροι Μετά από άντληση µεγαλώνει η δυνατότητα για αποθήκευση Με τεχνικές τεχνικού εµπλουτισµού είναι δυνατό να αυξηθεί η αποθηκευτική ικανότητα 35 4. Αγωγοί µεταφοράς Είσοδος νερού σε ένα σηµείο και απόληψη του σε ένα άλλο. Υδραυλικές κλίσεις ελέγχουν την κατεύθυνση της κίνησης. 5. Φίλτρο καθαρισµού Ιδιότητες καθαριµού υπογείων υδροφορέων ιζήµατα - φυσικό φίλτρο χηµικά στοιχεία - προσρόφηση, διάχυση Χρησιµοποιείται στον τεχνικό εµπλουτισµό. χρησιµοποιηµένα νερά, νερό άρδευσης κλπ. 6. Έλεγχος ροών υδατορευµάτων µε τη ρύθµιση στάθµης υπογείων νερών 36 18

Παράµετροι εδαφών και υπόγειων υδροφορέων 1) Βασικές ιδιότητες ή παράµετροι των εδαφών που έχουν άµεση σχέση µε την παρουσία και την κίνηση του νερού στο έδαφος. 2) Σε ότι αφορά ιδιότητες του νερού παραπέµπουµε σε συγγράµµατα µηχανικής ρευστών και υδραυλικής. 3) Πορώδες n ενός εδάφους (ή και πετρώµατος) µετράει τον όγκο των διάκενων ή πόρων και εκφράζεται σαν λόγος του όγκου των διάκενων U n προς το συνολικό όγκο του εδάφους U δηλαδή U n n = U 1 Ο δείκτης πόρων e µετρά το ποσοστό των διάκενων ως προς το συνολικό όγκο του στερεού υλικού U, ορίζεται από τη σχέση U e = U n s Πορώδες και δείκτης πόρων συνδέονται µε τη σχέση n e = 1 n Ειδική απόδοση ή ενεργό πορώδες πηλίκο του όγκου του νερού s S y ενός εδάφους ή πετρώµατος είναι το U y, µπορεί να κινηθεί µέσα στα διάκενα του µέσου εξαιτίας δυνάµεων βαρύτητας, προς τον συνολικό του όγκο, δηλαδή Uy Sy = U 2 1

Εξαιτίας τριχοειδών δυνάµεων, που είναι ισχυρότερες στα συνεκτικά εδάφη, ένα µέρος του συνολικού όγκου του νερού δεν µπορεί να στραγγιστεί µε τη βαρύτητα και παραµένει στο έδαφος o Η τιµή του ενεργού πορώδους δεν είναι, η ίδια πάντα µε το πορώδες του ίδιου εδάφους Όταν σταµατήσει η διαδικασία στράγγισης παραµένει στον υδροφορέα ένας όγκος νερού U που µετριέται µε την ειδική κατακράτηση r S r, όπου U S r r = U Από τον ορισµό των αντίστοιχων µεγεθών είναι φανερό ότι Un = Uy + Ur και n= Sy + Sy 3 Στα µη συνεκτικά εδάφη, όπως τα αµµώδη, αλλά και σε ορισµένα συνεκτικά οι τιµές του πορώδους και του ενεργού πορώδους είναι σχεδόν ίδιες, αφού η ειδική κατακράτηση είναι αµελητέα. Αντίθετα στα περισσότερα συνεκτικά εδάφη, π.χ. αργιλλώδη, ιλυώδη, κλπ., παρόλο που το πορώδες τους είναι συνήθως µεγαλύτερο από αυτό των µη συνεκτικών εδαφών, οι τιµές του ενεργού πορώδους είναι κατά πολύ µικρότερες. o Υδροφορείς που αποτελούνται από συνεκτικά εδάφη δεν είναι εκµεταλλεύσιµοι ως προς το υδατικό τους δυναµικό. 4 2

Αντιπροσωπευτικές τιµές πορώδους και ενεργού πορώδους Έδαφος Πορώδες (%) Ενεργό πορώδες (Ι) Ασβεστόλιθος 30 14 Λεπτόκοκκα χαλίκια 34 28 Χονδρόκοκκη άµµος 39 30 Λεπτόκοκκη άµµος 43 33 Ιλύς 46 20 Άργιλος 42 6 5 Αποθηκετευτικότητα των υπόγειων υδροφορέων. Αποθηκετευτικότητα, S, ενός περιορισµένου υδροφορέα ορίζεται από τον όγκο U του νερού που αποµακρύνεται (ή προστίθεται) από τη µονάδα οριζόντιας επιφάνειας A του υδροφορέα εξαιτίας µοναδιαίας πτώσης φ (ή αύξηση) του πιεζοµετρικού φορτίου. Ορίζεται από τη σχέση U S = A φ και είναι αδιάστατο µέγεθος. o Στους υπό πίεση υδροφορείς η αποθηκετευτικότητα εξαρτάται από τη συµπιεστότητα του νερού καθώς και από την ελαστικότητα του στερεού σκελετού του πετρώµατος που το περικλείει. Μεγάλη τιµή της αποθηκετευτικότητας µεγαλύτερη δυνατότητα εκµετάλλευσης του υδροφορέα. 6 3

Αποθηκετευτικότητα φρεατίου υδροφορέα ορίζεται θεωρώντας ότι εξαιτίας µιας ροής ένας όγκος νερού U αποµακρύνεται από µια συγκεκριµένη 7 έκταση A ενός φρεατίου υδροφορέα η στάθµη της ελεύθερης επιφάνειας θα πέσει χαµηλότερα, έστω κατά h. Η αποθηκετευτικότητα του υδροφορέα ορίζεται U S = A h Στη µια περίπτωση έχουµε πτώση πιεζοµετρικού φορτίου ενώ στη δεύτερη πτώση στάθµης. Στον υπό πίεση υδροφορέα η αποµάκρυνση του νερού οφείλεται στη συµπιεστότητα στερεού σκελετού και ρευστού ενώ στο φρεάτιο υδροφορέα µείωση της στάθµης σηµαίνει αποµάκρυνση ή µεταφορά νερού µε βαρύτητα από τον όγκο των διάκενων της συγκεκριµένης έκτασης σε µια άλλη. θέση. 8 4

Η αποθηκετευτικότητα λοιπόν των φρεατίων υδροφορέων δεν είναι τίποτε άλλο παρά το ενεργό τους πορώδες, και από άποψη µεγέθους είναι πολύ µεγαλύτερη από την αποθηκετευτικότητα των ίδιων γεωλογικών σχηµατισµών κάτω από συνθήκες ροής υπό πίεση. ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ: Να υπολογισθεί ο όγκος του νερού που µπορεί να αποδοθεί από ένα έδαφος που αποτελείται από άµµο µε ενεργό πορώδες S = 32%. Έχουµε συνθήκες ροής υπό πίεση, και αποθηκετευτικότητα S y 3 = 1.1 10. 4 3 Ο υδροφορέας αποδίδει όγκο ίσο µε 1.1 10 m ανά τετραγωνικό χιλιόµετρο σαν αποτέλεσµα της πτώσης του πιεζοµετρικού φορτίου κατά 9 10m. Αν στον ίδιο υδροφορέα επικρατήσουν συνθήκες ροής µε ελεύθερη επιφάνεια τότε S= S και για την απόδοση του ίδιου όγκου νερού ανά y τετραγωνικό χιλιόµετρο απαιτείται διαφορά στάθµης στην ελεύθερη επιφάνεια ίση µόνο µε 3.5cm περίπου. υδραυλική αγωγιµότητα και η µεταφορικότητα o Είναι βασικές παράµετροι που χαρακτηρίζουν την κίνηση του νερού σε υπόγειους υδροφορείς. Ο ορισµός των παραµέτρων αυτών σχετίζεται άµεσα µε το θεµελιώδη νόµο του Darcy για τις υπόγειες ροές η περιγραφή τους γίνεται στην αµέσως επόµενη παράγραφο. 10 5

Ο νόµος του Darcy Το υπόγειο νερό, καθώς αποτελεί µέρος του υδρολογικού κύκλου, κινείται διαρκώς στα υπόγεια υδροφόρα στρώµατα. Η κίνηση αυτή γίνεται καθώς όγκοι νερού που διηθούνται µε φυσικό ή τεχνητό τρόπο από την επιφάνεια του εδάφους κινούνται από περιοχές µεγάλης ενέργειας σε περιοχές µικρής ενέργειας όπου παροχετεύονται και πάλι φυσικά ή τεχνητά σε ποτάµια, πηγές, πηγάδια κλπ. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της κίνησης αυτής των υπόγειων νερών είναι ότι γίνεται µε πολύ µικρές ταχύτητες. Επειδή όµως οι διατοµές µέσα από τις οποίες κινούνται είναι τεράστιες, οι όγκοι νερού που µετακινούνται είναι τελικά πολύ µεγάλοι. 11 Ο Darcy, Γάλλος υδραυλικός µηχανικός, διερεύνησε πριν από 130 χρόνια περίπου τη ροή µέσα από στρώµατα άµµου που χρησιµοποιούνταν για φίλτρα νερού, και τελικά διατύπωσε µια σχέση (Darcy, 1856). Η πειραµατική συσκευή του Darcy 12 6

Συµπεράσµατα: o η. παροχή, της ροής που περνάει από µια διατοµή ενός πορώδους µέσου είναι ανάλογη του εµβαδού της διατοµής αυτής, ανάλογη της διαφοράς της πίεσης µεταξύ δυο θέσεων όπου ελέγχεται η ροή και αντίστροφα ανάλογη της απόστασης µεταξύ αυτών των δύο θέσεων. Για την κατακόρυφη διήθηση του νερού από το δοχείο διατοµής A είναι φ1 φ2 Q= KA L όπου K είναι ο συντελεστής αναλογίας που εκφράζει τη διαπερατότητα του πορώδους µέσου και λέγεται υδραυλική αγωγιµότητα. 13 Η ειδική παροχή q, αποτελεί µια µακροσκοπική ταχύτητα, µια µέση δηλαδή ταχύτητα για όλη την διατοµή A που µέρος της µόνο αποτελείται από νερό ενώ το υπόλοιπο είναι στερεά φάση (άλλοι ορισµοί για την ειδική παροχή την αναφέρουν σαν ταχύτητα διηθήσεως ή ταχύτητα Darcy). Το τµήµα της διατοµής A που αποτελείται από νερό είναι na και η µέση ταχύτητα ή ταχύτητα της ροής είναι Q q V = = na n Καµία από τις δύο ταχύτητες, παριστάνουν την πραγµατική ταχύτητα του νερού στους πόρους του εδάφους. Αυτή είναι µια τοπικού χαρακτήρα 14 7

ταχύτητα µε µέγεθος και διεύθυνση που αλλάζει εντονότατα στη µικροκλίµακα των πόρων. Η πειραµατική σχέση του Darcy µπορεί να επεκταθεί και να γενικευθεί σε πεδίο τριών διαστάσεων. Ορίζοντας σαν Vx, V y και V z και τις συνιστώσες του διανύσµατος ταχύτητας V και qx, qy, q z τις συνιστώσες της ειδικής παροχής q στους άξονες x, yz,, ο νόµος του Darcy γράφεται φ qx = KJx = K = nvx x φ qy = KJy = K = nvy y φ qz = KJz = K = nvz z 15 J x, Jy, J z είναι συνιστώσες της υδραυλικές κλίσης J στους τρεις άξονες. Σε διανυσµατική, µορφή, οι παραπάνω εξισώσεις γράφονται q = K J = K gradφ όπου σε αναλογία µε τη σχέση q V = n Σε οµογενές και ισότροπο µέσο ισχύουν οι σχέσεις ( φ) q = grad K = gradφ όπου Φ = Kφ όπου Φ είναι συνάρτηση δυναµικού της ειδικής παροχής q. Η ισχύς του νόµου του Darcy εξαρτάται από την ταχύτητα κίνησης του νερού και από το µέσο στο οποίο κινείται. Ο νόµος του Darcy ισχύει 16 8

για στρωτές ροές στα πορώδη µέσα. Σε αναλογία µε τις ροές σε αγωγούς, και οι υπόγειες ροές χαρακτηρίζονται από τον αριθµό Reynolds qd Re = ν όπου ν το κινηµατικό ιξώδες του ρευστού και d µια αντιπροσωπευτική διάσταση των κόκκων του εδάφους. Παρόλο που διάφοροι µέθοδοι προτείνονται για τον ορισµό της διάστασης αυτής d συνήθως παίρνουµε, d = d 10 όπου d 10 είναι η διάµετρος εκείνη των κόκκων όπου το 10% σε βάρος του πορώδους υλικού αποτελείται από κόκκους µε διάµετρο µικρότερη του d 10 ενώ το υπόλοιπο 90% αποτελείται από κόκκους µεγαλύτερης διαµέτρου. 17 Ο νόµος του Darcy ισχύει µέχρι την τιµή Re = 1 και δεν έχει µεγάλες αποκλίσεις για Re < 10. Οι περισσότερες υπόγειες ροές γίνονται µε µικρούς αριθµούς Reynolds (Re < 1). Μεγαλύτερες τιµές του πάντως εµφανίζονται σε περιπτώσεις µεγάλης υδραυλικής κλίσης, όπως π.χ. στα σηµεία άντλησης από πηγάδια. Επίσης τυρβώδεις ροές µπορούν να συναντηθούν σε ασβεστολιθικά πετρώµατα, όπου τα υπόγεια νερά κινούνται από ανοίγµατα πολύ µεγάλων διαστάσεων σε σχέση µε τα διάκενα των συνηθισµένων προσχωσιγενών εδαφών. Ο συντελεστής αναλογίας K που εµφανίζεται στη σχέση του Darcy δηλαδή η υδραυλική αγωγιµότητα, είναι µια παράµετρος που εξαρτάται 18 9

τόσο από το πορώδες µέσο όσο και από το κινούµενο ρευστό. Γενικά είναι παραδεκτή η παρακάτω σχέση kg K = ν όπου ν το κινηµατικό ιξώδες του ρευστού, g η επιτάχυνση της βαρύτητας και k παράµετρος που εξαρτάται από το στερεό σκελετό και λέγεται διαπερατότητα Οι τιµές της υδραυλικής αγωγιµότητας κυµαίνονται για χαλίκια από 1 10 2 cm, για αµιγείς άµµους, που αποτελούν εκµεταλλεύσιµους sec 3 υδροφορείς, από 10 1 cm και για πολύ λεπτόκοκες άµµους και sec 6 3 µίγµατα άµµων και αργίλων από 10 10 cm. sec 19 Αντιπροσωπευτικές τιµές υδραυλικής αγωγιµότητας Έδαφος Υδραυλική Αγωγιµότητα ( cm ) sec Ασβεστόλιθος Λεπτόκοκκα χαλίκια Χονδρόκοκκη άµµος Λεπτόκοκκη άµµος Ιλύς Άργΐλλος 10 3 4.03 10 1 5.20 10 2 2.88 10 3 2.83 10 5 9 10 8 20 10

ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ: Η διαφορά των τιµών της υδραυλικής αγωγιµότητας για διαφορετικά κινούµενα ρευστά µπορεί να φανεί, συγκρίνοντας την τιµή µιας άµµου που για νερό έστω ότι βρέθηκε K = 0.002cm. Η sec 8 2 διαπερατότητα είναι 0.002 0.01 k = = 2.039 10 cm (όπου η τιµή του 981 κινηµατικού ιξώδους ν = 1centistokes). Έτσι για ένα έλαιο µε κινηµατικό ιξώδες ν = 2.3centistokes η τιµή της υδραυλικής αγωγιµότητας θα είναι 8 981 4 K = 2.039 10 = 8.70 10 cm. 0.023 sec 21 Μια από τις πιο χαρακτηριστικές υδραυλικές παραµέτρους των υπόγειων υδροφορέων είναι η µεταφορικότητα T. Αυτή ορίζεται σαν την παροχή νερού που περνάει από ένα µοναδιαίο πλάτος του υδροφορέα κατά µήκος όλου του πάχους του, εξαιτίας µιας µοναδιαίας κλίσης του υδραυλικού φορτίου. Από τον ορισµό της λοιπόν η µεταφορικότητα είναι το γινόµενο της υδραυλικής αγωγιµότητας K επί το πάχος b της κορεσµένης ζώνης του υδροφορέα, T = Kb και συνήθως µετριέται σε 2 m. Η έννοια βέβαια της µεταφορικότητας day αφορά τις διδιάστατες οριζόντιες ροές στους εκτεταµένους υδροφορείς. Σε προβλήµατα όπου το φαινόµενο εξελίσσεται σε χώρο τριών διαστάσεων η 22 11

ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ: Στο σχ. 2.12 φαίνεται σε τοµή ένας οριζόντιος περιορισµένος υδροφορέας πάχους b= 30m και υδραυλικής αγωγιµότητας K 4.2 10 cm sec 2 =. Αν το µέσο µήκος µεταξύ δυο ποταµών µε διαφορά στάθµης h= 28m είναι L= 4000m ζητείται να υπολογισθεί η ανά χιλιόµετρο πλάτους διηθούµενη παροχή. 23 ιήθηση σε περιορισµένο υδροφορέα Υποθέτοντας µόνιµη ροή, η διηθούµενη παροχή ανά χιλιόµετρο πλάτους µπορεί να υπολογισθεί από τη σχέση του Darcy 24 12

KA h Q= = 1000TJ όπου T = Kb είναι η µεταφορικότητα του L περιορισµένου υδροφορέα, J = h η υδραυλική κλίση και A= 1000b. Έτσι L T = = 4 4.2 10 86400 30 1088.6 m 2 day J = 28 = 0.007 4000 3 καιq = 1000 1088.6 0.007 = 7620.2 m. Η αντίστοιχη ταχύτητα day διηθήσεως είναι q = Q = 7620.2 = 0.25m µια πολύ µικρή A 1000 30 day ( ) τιµή δηλαδή σε σύγκριση µε τις µέσες ταχύτητες ποταµών. 25 Η υπόθεση του Dupuit Tα βασικά µεγέθη για την επίλυση των προβληµάτων των υπόγειων ροών είναι το πιεζοµετρικό φορτίο φ και το διάνυσµα της ειδικής παροχής q για τον υπολογισµό της q σε κάθε σηµείο του χώρου και σε κάθε χρονική στιγµή, δηλαδή για τον υπολογισµό του q q( x, y, z, t) να είναι γνωστή η συνάρτηση του φ = φ ( x, yzt,, ). =, πρέπει Στους περιορισµένους υδροφορείς µε ένα σηµαντικό βαθµό αξιοπιστίας µπορεί να γίνει αποδεκτή η υπόθεση της οριζόντιας ροής (υδραυλική θεώρηση) o µπορούµε να λύσουµε τα διάφορα προβλήµατα υποθέτοντας οριζόντιες τις ροές και υπολογίζοντας τελικά τη συνάρτηση φ = φ x, yt,. ( ) 26 13

Στους φρεάτιους υδροφορείς η ελεύθερη επιφάνεια σχεδόν ποτέ δεν είναι οριζόντια. o Οι ταχύτητες ροής µεταβάλλονται στην κατακόρυφη διεύθυνση o Για να υπολογιστούν οι µεταβολές της ειδικής παροχής θα πρέπει να λυθεί µια διαφορική εξίσωση στο χώρο των τριών διαστάσεων για να υπολογισθεί η φ = φ ( x, yzt,, ). o Το πρόβληµα είναι πολύπλοκο επειδή η θέση της ελεύθερης επιφάνειας δεν είναι γνωστή σε κάθε χρονική στιγµή. Η υπόθεση του Dupuit 27 Η υπόθεση του Dupuit χρησιµοποιείται σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις ροής σε φρεάτιους υδροφορείς Στηρίζεται στην υπόθεση ότι η κλίση της ελεύθερης επιφάνειας συνήθως είναι πολύ µικρή, o θεωρεί ότι σε κάθε κατακόρυφη διατοµή οι οριζόντιες ταχύτητες είναι ίσες. o εν υπάρχει ροή στον κατακόρυφο άξονα. Θεωρώντας ότι έχουµε µια διδιάστατη µόνιµη ροή στο επίπεδο x, z η ελεύθερη επιφάνεια είναι γραµµή ροής. Σε κάθε σηµείο αυτής της γραµµής ροής η ειδική παροχή είναι εφαπτόµενη και έτσι από το νόµο του Darcy ισχύει dφ dz qs = K = K = Ksinθ ds ds 28 14

Κάνοντας λοιπόν την υπόθεση ότι η γωνία θ, είναι µικρή, που σηµαίνει ότι οι ισοδυναµικές γραµµές είναι κατακόρυφες, η υπόθεση Dupuit καταλήγει στη συνάρτηση φ = φ ( x) αντί της φ φ ( x, z) σε οριζόντια ροή. =, άρα πρακτικά Τέλος, εξαιτίας της µικρής τιµής της θ, η τιµή sinθ δεν διαφέρει αισθητά από την τιµή tan dh dx θ = όπου ( ) επιφάνειας από ένα οριζόντιο πυθµένα. h x το ύψος της ελεύθερης Έτσι µαθηµατικά η υπόθεση Dupuit εκφράζεται από τις σχέσεις dh qx = K, h= h x dx ( ) 29 Στο γενικό πρόβληµα στο χώρο όπου h h( x, y) = οι σχέσεις που ορίζουν τις συνιστώσες της ειδικής παροχής είναι dh dh qx = K, qy = K dx dy Τυπικό παράδειγµα της εφαρµογής της υπόθεσης του Dupuit 30 15

η υπόθεση Dupuit οδηγεί στην εξής έκφραση για την ανά µονάδα πλάτους (κάθετα στο επίπεδο ροής) παροχή Q (σταθερή λόγω συνεχείας) Q = qh( x) = Kh( x) dh = σταθερα& dx Ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση µεταξύ της διατοµής x = 0 µε h= h 0 και µιας τυχαίας διατοµής σε απόσταση x όπου h h ( x ) = είναι δυνατό να υπολογισθεί η θέση της ελεύθερης επιφάνειας από 2 2 2Q x h ( x) = h0 K 31 Στο κατάντη άκρο x = L θεωρητικά το ύφος της ελεύθερης επιφάνειας συµπίπτει µε τη στάθµη της δεξαµενής, δηλαδή h= h. Η διερχόµενη παροχή είναι Q K h h L = 2L 2 2 0 Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή σαν σχέση Dupuit - Forchheimer. Η πραγµατική ελεύθερη επιφάνεια καταλήγει σε µια ψηλότερη στάθµη από αυτήν της κατάντη δεξαµενής o επιφάνεια διήθησης, όπου το νερό κινείται κατακόρυφα στον ελεύθερο ατµοσφαιρικό αέρα. o Στα περισσότερα προβλήµατα η υπόθεση του Dupuit ισχύει για το µεγαλύτερο µήκος της ροής µέχρι το κατάντη άκρο. L 32 16

ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ: Στρωµατωµένος υδροφορέας που περιορίζεται από δυο ποταµούς που οι στάθµες τους βρίσκονται σε ύψη h 0 και h L. Ο υδροφορέας αποτελείται από δύο οµογενή και ισότροπα στρώµατα διαπερατότητας K και K. 33 Ζητείται να υπολογισθεί η ποσοστιαία αύξηση της µόνιµης διηθούµενης παροχής όταν η στάθµη του κατάντη ποταµού µειωθεί σε ύψος h 2. 4 K = 2K = 4 10 m, h0 = 2h1 = 4h2 = 40m Αριθµητική εφαρµογή: sec b= 15 m, L= 800m ΛΥΣΗ Για h 1 > b η λύση υπολογίζεται ως εξής: Η συνολικά διηθούµενη παροχή είναι το άθροισµα των παροχών που διηθούνται από τα δυο στρώµατα. Με την παραδοχή του Dupuit η ανά µέτρο πλάτους διηθούµενη παροχή Q () είναι 1 dh dh Q () = K b K 1 ( h b) dx dx 34 17

Η συνολικά διηθούµενη παροχή είναι το άθροισµα δυο παροχών: της παροχής που διηθείται από το κατώτερο στρώµα και που υπολογίζεται σαν παροχή µιας ροής υπό πίεση και της παροχής που περνά το ανώτερο στρώµα και αφορά ροή µε ελεύθερη επιφάνεια. Αγνοώντας την ύπαρξη επιφάνειας διηθήσεως και ολοκληρώνοντας µε οριακές συνθήκες h= h για 0 0 x = και για x = L h= h1 έχουµε h h K Q K b h b h b L 2L 0 1 () = + 1 ( 0 ) ( 1 ) Στην περίπτωση όπου h2 h h K Q K b h b x 2x 0 1 ( ) = + ( ) 2 2 0 b και στην περιοχή xb < x< L Q = K b b h ( 2) ( L x ) 2 2 b b 2 2 < b έχουµε αντίστοιχα στην περιοχή 0 < x < xb 35 2 Λύνοντας το σύστηµα ως προς τα άγνωστα µεγέθη Q ( 2) και x b έχουµε Αντικαθιστώντας τις αριθµητικές τιµές έχουµε 36 18

Άρα η ποσοστιαία αύξηση της παροχής θα είναι ενώ η απόσταση υπολογίζεται από την 2.35 και είναι τελικά 37 Ανοµογένεια και ανισοτροπία Η βασική παράµετρος των εδαφών που χαρακτηρίζει την κίνηση των ρευστών η υδραυλική αγωγιµότητα. Οι έννοιες της οµογένειας- ανοµογένειας και ισοτροπίας - ανισοτροπίας αναφέρονται κυρίως στη υδραυλική αγωγιµότητα. Στα πρακτικά προβλήµατα της υδραυλικής των υπόγειων ροών χρησιµοποιούνται οι παράµετροι της µεταφορικότητας, οι ιδιότητες της ισοτροπίας και οµογένειας ορίζονται στο Τ που συνδέεται άµεσα µε την το Κ. Ένας υδροφορέας οµογενής ή ότι το πορώδες µέσο που τον αποτελεί είναι οµογενές όταν η υδραυλική αγωγιµότητα του είναι σε κάθε σηµείο η ίδια. Αντίθε-τα αν η τιµή της µεταβάλλεται στο χώρο το µέσο λέγεται ανοµοιογενές. Το µέσο λέγεται ισότροπο αν σε κάθε σηµείο του η διαπερατότητα του είναι ανεξάρτητη από τη διεύθυνση ενώ στην αντίθετη περίπτωση λέγεται ανισότροπο. 38 19

Η ανοµογένεια των υδροφορέων είναι µια έννοια που συνδέεται και µε την κλίµακα του φαινόµενου που µελετάται. Γενικά υπάρχουν δύο τύποι ανοµογένειας. Ο πρώτος αναφέρεται σε βαθµιαία µεταβολή της υδραυλικής αγωγιµότητας ή της µεταφορικότητας. Στα µέσα µε βαθµιαία µεταβολή της διαπερατότητας η µελέτη της κίνησης µπορεί να γίνει θεωρώντας στο γενικευµένο νόµο του Darcy µε υδραυλική αγωγιµό-τητα συνάρτηση που µεταβάλλεται στο χώρο Ο δεύτερος τύπος ανοµογένειας αφορά απότοµες µεταβολές κατά µήκος επιφανειών ασυνέχειας (π.χ. ρήγµατα, διακλάσεις, κλπ.). Στη περίπτωση της απότοµης µεταβολής της διαπερατότητας θα πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισµένες συνθήκες στη διαχωριστική επιφάνεια των δυο µέσων. 39 Περίπτωση σχηµατισµού υδροφορέων όπου το υδροφόρο στρώµα δηµιουργήθηκε από συνεχείς αποθέσεις υλικών µε αποτέλεσµα τη στρωµατοποίηση του σε λεπτές, οµογενείς συνήθως στρώσεις. Τόσο η µεταφορά των υλικών όσο και η πίεση των υπερκείµενων στρωµάτων οδηγεί, σε µια περίπου οριζόντια διάταξη των στερεών κόκκων έτσι ώστε η ροή κατά την οριζόντια διεύθυνση να γίνεται συνήθως πολύ πιο εύκολα από αυτήν κατά την κατακόρυφη διεύθυνση. 40 20

Συνήθως στα στρωµατοποιηµένα εδάφη θεωρούµε µια ισοδύναµη υδραυλική αγωγιµότητα κατά τις δυο διευθύνσεις, οριζόντια και κατακόρυφο. Αν στον στρωµατοποιηµένο υδροφορέα επικρατεί οριζόντια ροή τότε η ισοδύναµη υδραυλική αγωγιµότητα κατά τη διεύθυνση x υπολογίζεται από την εξίσωση συνεχείας. Θεωρώντας την ανά µονάδα πλάτους παροχή σταθερή για ένα µόνιµο φαινόµενο έχουµε Όπου η σταθερή κλίση του υδραυλικού φορτίου. Η ισοδύναµη υδραυλική αγωγιµότητα κατά x θα είναι έτσι ώστε να επαληθεύεται η εξίσωση συνεχείας 41 Αν η ροή γίνεται κατά την κατακόρυφη διεύθυνση τότε η ισοδύναµη υδραυλική αγωγιµότητα κατά z υπολογίζεται θεωρώντας ότι η συνολική πτώση του πιεζοµετρικού φορτίου είναι ίση µε το άθροισµα των πτώσεων στα επιµέρους στρώµατα. Έτσι υπολογίζεται η ισοδύναµη υδραυ-λική αγωγιµότητα κατά z µπορεί να αποδειχθεί και µαθηµατικά 42 21

σε πρακτικά προβλήµατα οριζόντιων διδιάστατων ροών σε στρωµατοποιηµένους υδροφορείς είναι δυνατό να χρησιµοποιηθεί και η έννοια της ισοδύναµης µεταφορικότητας και Όπου οι παροχές ανά µονάδα πλάτους 43 Σε ανισότροπα πορώδη µέσα, όπου η τιµή της διαπερατότητας και κατά συνέπεια της υδραυλικής αγωγιµότητας αλλάζει µε τη διεύθυνση, ο γενικευµένος νόµος του Darcy γράφεται µε τη µορφή K q= KJ ο τανυστής της υδραυλικής αγωγιµότητας για διδιάστατες ροές ο τανυστής αυτός συµβολικά γράφεται K K xx Kxy = K yx K yy 44 22

Η σχέση του Darcy γράφεται.αναλυτικά Σε κύριους άξονες (ξ, η), γράφεται ενώ 45 Οκύκλος των υπογείων νερών συνοπτική περιγραφή όλων των συνιστωσών, δραστηριοτήτων και σχέσεων που αφορούν τον κύκλο της κίνησης ή το ισοζύγιο των υπόγειων νερών. Μια από τις πιο σηµαντικές σχέσεις στο ισοζύγιο των υπόγειων νερών είναι αυτή που αφορά την υδραυλική επικοινωνία των υπόγειων υδροφορέων µε ποτάµια ή και γενικότερα επιφανειακούς υδατικούς αποδέκτες. η ύπαρξη ενός ποταµού που διασχίζει µια λεκάνη είναι δυνατό να αποτελέσει είτε πηγή τροφοδοσίας για τον υδροφορέα είτε στραγγιστικό σύστηµα γι αυτόν 46 23

(α) η στάθµη του φρεατίου υδροφορέα είναι ψηλότερα από του ποταµού έτσι ώστε η παροχή του ποταµού αυξάνεται από τη διήθηση των υπόγειων νερών µέσα από την κοίτη του. (β) και (γ) δείχνουν την αντίθετη κίνηση όπου εξαιτίας της ψηλότερης στάθµης στον ποταµό ο υδροφορέας τροφοδοτείται µε επιφανειακά νερά. (δ) αφορά έναν ποταµό που η κοίτη του τέµνει ένα αδιαπέρατο όριο κάτω από το οποίο βρίσκεται υδροφορέας υπό πίεση. Εδώ το αν θα τροφοδοτεί ή θα τροφοδοτείται ο υδροφορέας από τον ποταµό εξαρτάται από το αν η πιεζοµετρική επιφάνεια βρίσκεται ψηλότερα (γραµµή Α) ή χαµηλότερα (γραµµή Β) από τη στάθµη του ποταµού 47 Η υδραυλική επικοινωνία ποταµού - υδροφορέα είναι δυνατό να επηρεασθεί και από την ανθρώπινη επέµβαση που αφορά την άντληση σηµαντικών ποσοτήτων υπόγειων νερών. (α) ο φρεάτιος υδροφορέας φορτίζεται από τα νερά των βροχοπτώσεων και κάτω από αυτές τις φυσικές συνθήκες ροής η στάθµη της ελεύθερης επιφά-νειας των υπόγειων νερών βρίσκεται ψηλά. Αποτέλεσµα είναι να δέχεται ο ποταµός το µεγαλύτερο µέρος των νερών της βροχής καθώς διηθούνται στο έδαφος και µέσα από την κοίτη του σ αυτόν ενώ µια µικρή παροχή νερού βγαίνει και από την πηγή. Για την εκµετάλλευση του υπόγειου υδροφορέα κατασκευάζεται κατόπι µια σειρά από πηγάδια από τα οποία αντλούνται αρχικά πολύ µικρές ποσότητες νερού. (β) η άντληση αυτή προκαλεί πτώση της ελεύθερης επιφάνειας µε αποτέλεσµα να σταµατήσει η παροχή της πηγής και να µειωθεί η τροφοδοσία προς τον ποταµό. Αν αντληθεί µεγαλύτερη ποσότητα νερού από τον υδροφορέα από όση διηθείται σ αυτόν από τις βροχοπτώσεις η στάθµη του υπόγειου νερού πέφτει ακόµα χαµηλότερα. Καθώς αυξάνεται περισσότερο ο όγκος του αντλούµενου νερού η στάθµη του υπόγειου νερού κατεβαίνει χαµηλότερα από τον πυθµένα του ποταµού, η τροφοδοσία από αυτόν φτάνει στη µέγιστη δυνατή τιµή και επιπλέον άντληση δεν είναι δυνατό να αυξήσει τον όγκο της παροχής που διηθείται από τον ποταµό. Έτσι το επιπλέον νερό αντλείται πια από το µη ανανεώσιµο όγκο του υπόγειου δυναµικού του υδροφορέα, καταργείται το ισοζύγιο των υπόγειων νερών και το δυσµενές αποτέλεσµα είναι η συνεχής πτώση της ελεύθερης επιφάνειας. Στην περίπτωση αυτή, και επειδή είναι γνωστές οι δυσµενείς συνέπειες µιας τέτοιας υπεράντλησης, πρέπει να διακόπτεται η άντληση και να εκτελείται µόνο για περιορισµένα χρονικά διαστήµατα. 48 24

49 Από την παραπάνω περιγραφή φαίνεται ότι υπάρχει µια µέγιστη δυνατή τιµή όγκου αντλούµενων υπόγειων νερών ενός συγκεκριµένου υδροφορέα. Η απόδοση ασφαλείας ενός υδροφορέα αφορά έναν όγκο νερού που είναι µικρότερος από αυτή τη µέγιστη τιµή αλλά που δεν είναι δυνατό να ορισθεί αντικειµενικά. Ο προσδιορισµός του είναι συνάρτηση των υδρογεωλογικών χαρακτηριστικών της λεκάνης αλλά και άλλων παραµέτρων σχετικών µε την ποιότητα των υπόγειων νερών, ή µε νοµικές, πολιτικές, οικονοµικές ή και αισθητικές θεωρήσεις. Στην απόδοση ασφαλείας ενός υδρόφορέα δίνονται συνήθως χαµηλές τιµές που κυµαίνονται στο 20-80% της φυσικής φόρτισης δηλαδή του υπόλοιπου βροχόπτωσης. Υπόλοιπο βροχόπτωσης είναι η παροχή των βροχοπτώσεων που παραµένει στην επιφάνεια ή µέσα στο έδαφος µετά τη διαδικασία της εξατµισοδιαπνοής 50 25

Τροφοδοσία- Βροχοπτώσεις Οι βροχοπτώσεις αποτελούν µια πηγή απευθείας φόρτισης των φρεατίων υδροφορέων, εφόσον βέβαια η επιφάνεια του εδάφους έχει ικανοποιητική διαπερατότητα. Οι περιορισµένοι υδροφορείς ανανεώνονται µε νερό που προέρχεται από ένα γειτονικό φρεάτιο υδροφορέα που φυσικά ανανεώνεται µε το νερό των βροχοπτώσεων. Η φόρτιση των φρεατίων υδροφορέων µε το νερό των βροχοπτώσεων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που καθορίζουν και τη σχέση µεταξύ του όγκου του νερού των βροχοπτώσεων και του όγκου του νερού που τελικά εµπλουτίζει του υπόγειους υδροφορείς. Οι παράγοντες αυτοί είναι: τύπος βροχόπτωσης, κλιµατικές συνθήκες, υγρασία εδάφους, τοπογραφία του εδάφους, διαπερατότητα της επιφάνειας του και φυτοκάλυψη. Εξαιτίας των παραπάνω σύγχρονες µέθοδοι αντιµετωπίζουν τη φόρτιση σαν παράµετρο ενός υδροφορέα και χρησιµοποιούν στατιστικές και άλλες τεχνικές για την εκτίµηση της. ιάφορα µοντέλα υπάρχουν για τις νεώτερες αυτές αλλά και για τις κλασσικές µεθόδους του υπολογισµού της φόρτισης από βροχοπτώσεις. 51 Στις µορφές εξόδου των υπόγειων νερών από τους υδροφορείς ανήκουν οι διάφορες πηγές, η εξατµισοδιαπνοή και οι αντλήσεις και στραγγίσεις. Οι πηγές είναι σηµεία εξόδου των υπόγειων νερών από τον υδροφορέα στην επιφάνεια του εδάφους. Συνήθως δηµιουργούνται όταν η στάθµη φρεατίων υδροφορέων συναντά την επιφάνεια του εδάφους ή όταν n υπό πίεση ροή ενός περιορισµένου υδροφορέα βρίσκει διέξοδο προς την επιφάνεια του εδάφους απευθείας ή µέσα από ρωγµές. Οι παροχές των πηγών είναι συνήθως µικρές και εξαρτώνται από τις εποχιακές µεταβολές. Η εξατµισοδιαπνοή ουσιαστικά αφορά το αποτέλεσµα δυο διαφορετικών µηχανισµών της εξάτµισης και της διαπνοής. Εξάτµιση είναι η µεταφορά νερού από την υγρή φάση στην αέρια ενώ διαπνοή είναι η διαδικασία µε την οποία τα φυτά απορροφούν νερό υπό µορφή υγρασίας από το έδαφος και αφού το χρησιµοποιήσουν για την ανάπτυξη τους το αποδίδουν στην ατµόσφαιρα. 52 26

Πηγές 53 Αντλήσεις Η άντληση υπόγειων νερών µε πηγάδια εκµετάλλευσης για διάφορες χρήσεις καθώς και η στράγγιση, τους µε τάφρους και υπόγειους σωληνωτούς αγωγούς (ντραίνα) και η µεταφορά τους σε επιφανειακούς αποδέκτες αποτελούν σηµαντικότατες διαδικασίες όπου ό συνολικός όγκος µετακινούµενου νερού έχει ιδιαίτερη σηµασία στο υδραυλικό ισοζύγιο. Τα θέµατα αυτά εµπίπτουν άµεσα στο αντικείµενο του παρόντος µαθήµατος και µεγάλο µέρος των επόµενων κεφαλαίων αφιερώνεται στη µελέτη της κίνησης των υπόγειων νερών εξαιτίας αντλήσεων και στραγγίσεων. 54 27

Υδατικό ισοζύγιο Αν αθροίσει κανείς όλες τις ποσότητες νερού που µπαίνουν και βγαίνουν σε µια συγκεκριµένη έκταση ενός υδροφορέα στη διάρκεια µιας χρονικής περιόδου ισορροπίας µπορεί να υπολογίσει τον όγκο του υπόγειου νερού που αποθηκεύεται στην αντίστοιχη περιοχή. Το επιπλέον νερό αποθηκεύεται στους φρεάτιους υδροφορείς γεµίζοντας τα διάκενα του εδάφους και έχει σαν άµεσο αποτέλεσµα την άνοδο της στάθµης της ελεύθερης επιφάνειας. Στους περιορισµένους υδροφορείς ο όγκος για να αποθηκευθεί το επιπλέον νερό βρίσκεται µε κατάλληλη συµπίεση του υπάρχοντος υδατικού όγκου καθώς και του στερεού σκελετού και έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση του πιεζοµετρικού φορτίου. Η ικανότητα του κάθε υδροφορέα να αποθηκεύει περισσότερο ή λιγότερο εύκολα επιπλέον νερό εξαρτάται από την αποθηκετευτικότητα του Τελικά το τοπικό ισοζύγιο των υπόγειων νερών για µια πε-ριοχή ενός υδροφορέα µπορεί να εκφρασθεί µε το άθροισµα όλων των παραπάνω όγκων για µια χρονική περίοδο ισορροπίας 55 Το ισοζύγιο των υπόγειων νερών ενός υδροφορέα 56 28