ΙΑΒΡΩΣΗ, ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΣΗ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ» ΙΑΒΡΩΣΗ, ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΚΑΙ ΑΠΟΘΕΣΗ ΦΕΡΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ. ΠΑΝΑΓΟΥΛΙΑ, ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΜΠ. ΖΑΡΡΗΣ, Πολ. Μηχανικός ΕΜΠ, M.Sc. Υδρολογίας Τοµέας Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Aκαδ. Έτος: 2010-2011

Σύντομη περιγραφή του μαθήματος Εισαγωγή μαθήματος - Ορισμοί Υδραυλική των ποταμών (π.χ. Παροχή, (π.χ. Παροχή, συρτική τάση, έναρξη κίνησης φερτών υλικών, φυσικά χαρακτηριστικά φερτών υλικών) Υδραυλική της στερεομεταφοράς (π.χ. π.χ. Εξισώσεις στερεοπαροχής αιωρούμενου, συρόμενου και ολικού φορτίου) Υδραυλική Εισαγωγή στη γεωμορφολογία Μορφολογία ποταμών σε σχέση με τη στερεοπαροχή Υδρολογία της στερεοαπορροής: Μοντέλα υπολογισμού και εκτίμησης Τοπική διάβρωση βάθρων γεφυρών, απόθεση φερτών σε ταμιευτήρες,, έργα διευθέτησης Παραδείγματα από τον Ελληνικό χώρο

Γιατί διδάσκονται τα φερτά υλικά? Στερεοαπορροή: : Επιδράσεις στους αποδέκτες (π.χ. πρόσχωση ταμιευτήρων, ποιοτική κατάσταση υδάτων). Λίγα εκατομμύρια λιμνοδεξαμενών και 39000 μεγάλα φράγματα (άνω των 15m) Μεταβολή της κοίτης των ποταμών (π.χ. εκσκαφή, απόθεση, διάβρωση οχθών, κ.ά) Συνέπειες στα κατάντη από κατασκευή φραγμάτων και ταμιευτήρων Μεταβολές στις χρήσεις γης (π.χ. Πυρκαγιές, εκτεταμένες καλλιέργειες, αστικοποίηση) Αύξηση πλημμυρικού κινδύνου σε συμβολές παραποτάμων και δέλτα ταμιευτήρων Περιβαλλοντική υποβάθμιση από ρυπαντές που προσροφώνται στα φερτά υλικά

Η διάβρωση ως παγκόσμιο πρόβλημα

Βασικοί Ορισμοί Στερεοπαροχή (sediment discharge) Q s : Η μάζα των φερτών υλικών που μετριέται στη διατομή ενός υδατορεύματος στη μονάδα του χρόνου: (Διαστάσεις: [M/T] συνηθέστερα σε kg/s) Στερεοαπορροή (sediment yield) S Y : Η μάζα των φερτών υλικών που μετριέται στη διατομή του υδατορεύματος ανά μονάδα λεκάνης απορροής και ανά μονάδα χρόνου: (Διαστάσεις: [M/L 2 /T] συνηθέστερα σε t/km 2 /y) Διάβρωση ή εδαφική απώλεια (Erosion( or Soil Loss) SE: : Η μάζα του εδαφικού υλικού που αποσπάται λόγω της συνδυασμένης δράσης της βροχής και της απορροής ανά μονάδα λεκάνης απορροής και ανά μονάδα χρόνου: [M/L 2 /T] συνηθέστερα σε t/ha/y)

Βασικοί Ορισμοί (συν.) Μορφές στερεομεταφοράς Φορτίο κοίτης Φορτίο σε σύρση Ολικό φορτίο (προέλευση Φορτίο σε αιώρηση Φορτίο απόπλυσης (αιώρηση) Συνολικό αιωρούμενο φορτίο Ολικό φορτίο (μεταφορά)

Βασικοί Ορισμοί (συν.)

ΔΙΑΒΡΩΣΗ & ΣΤΕΡΕΟΜΕΤΑΦΟΡΑ Στερεομεταφορά Φορτίο φερτών υλικών Στερεοπαροχή Έδαφος

ΑΠΟΘΕΣΗ Φορτίο φερτών υλικών Στερεοπαροχή Απόθεση Έδαφος

Βασικοί Ορισμοί (συν.) Ηλεκάνη απορροής ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΠΟΘΕΣΗ

Βασικοί Ορισμοί (συν.) Ζώνη 1: Διάβρωση Ορεινά ρέματα που ρέεουν σε μεγάλες κλίσεις σε διατομές μορφής V Ζώνη 2: Μεταφορά Ρέματα χαμηλού υψόμετρου συγκλίνουν σε μικρότερες κλίσεις. Οι κοιλάδες πλαταίνουν και ο μαιανδρισμός εμφανίζεται Ζώνη 3: Απόθεση Το υδατόρευμα μαιανδρίζει κατά πλάτος μια ευρείας, σχεδόν επίπεδης, πεδιάδας. Στο δέλτα η ροή διαχωρίζεται σε πολλά τμήματα

Η διάβρωση ως παγκόσμιο πρόβλημα Στερεοαπορροή (t/km 2 /year). 10000 5000 Αφρική (205) Ασία (375) Ευρώπη (124) Β. Αμερική (87) Ν. Αμερική (32) Ελλάδα (14) 0

Η διάβρωση ως παγκόσμιο πρόβλημα 3000 ΕΛΛΑΔΑ (14) ΙΣΠΑΝΙΑ (22) ΙΤΑΛΙΑ (39) Στερεοαπορροή (t/km 2 /y). 2500 2000 1500 1000 500 0

Βασικοί Ορισμοί (συν.) Επιφανειακή διάβρωση (sheet( sheet erosion): : Απομάκρυνση του εδαφικού υλικού σχεδόν ομοιόμορφα από την επιφάνεια του εδάφους. Αποτελεί αποτέλεσμα της συνδυασμένης δράσης βροχής & επιφανειακής απορροής Αυλακωτή διάβρωση (rill( erosion): : Όταν στην επιφάνεια του εδάφους σχηματίζονται μικρά ρυάκια βάθους μέχρι 50cm. Αφορούν περισσότερο στις καλλιεργημένες εκτάσεις Χαραδρωτή διάβρωση (gully( erosion): Όταν στα ρυάκια συγκεντρώνεται ικανή παροχή έτσι ώστε να οδηγούν σε αύξηση του πλάτους και του βάθους των αυλάκων. Μπορεί να φτάσει και σε λίγες δεκάδες μέτρα.

Ανάγλυφο Επιφανειακή απορροή Αύλακες Χαραδρωτή διάβρωση (Συγκεντρωμέ νη απορροή) Τύποι διάβρωσης

Παραδείγματα μορφών διάβρωσης Τύποι διάβρωσης

Παραδείγματα μορφών διάβρωσης

Γεωμορφολογία

Παραδείγματα ποτάμιων μορφών

Παραδείγματα στερεοπαροχής

Οι ελληνικές συνθήκες (καλένδες) Η ΔΕΗ ήταν η μοναδική υπηρεσία που εκτελούσε μετρήσεις του αιωρούμενου φορτίου στα ελληνικά ποτάμια σταμάτησε οποιαδήποτε μέτρηση το 1985 Σήμερα δεν εκτελείται καμιά στερεοϋδρομέτρηση στα ελληνικά ποτάμια και είναι παντελώς άγνωστη η διάβρωση και η στερεοαπορροή στη χώρα Αποσπασματικές μετρήσεις της μάζας φερτών υλικών που έχουν αποτεθεί σε ταμιευτήρες (π.χ. ΕΚΘΕ στο Πολύφυτο,, ΕΜΠ στα Κρεμαστά) Διάφορα ερευνητικά προγράμματα (ΑΠΘ στο Νέστο, ΕΜΠ για το σύνολο των ελληνικών ποταμιών)

Θέσεις μέτρησης της στερεοπαροχής στην Ελλάδα

Ισορροπία της σταθερής κοίτης Q * J Q s * D 50

Κύριες ερωτήσεις που απαντά το μάθημα Πόση ποσότητα φερτών υλικών και ποιας κοκκομετρικής διαβάθμισης μπορεί να μεταφέρει ένα υδατόρευμα με τη διαθέσιμη κάθε φορά παροχή? Αυτός ο ρυθμός μεταφοράς είναι μεγαλύτερος ή μικρότερος από τη συνολική ποσότητα φερτών υλικών από τη λεκάνη απορροής που καταλήγει στο υδατόρευμα?

Μοντέλα εκτίμησης στερεοαπορροής Εμπειρικά,, στατιστικά μοντέλα, βασισμένα σε μετρήσεις στερεοπαροχών (π.χ. Παγκόσμια Εξίσωση Εδαφικής Απώλειας, Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής) Φυσικώς θεμελιωμένα μοντέλα εκτίμησης της στερεοαπορροής (π.χ. LISEM, WEPP, SHETRAN) Έμμεσες εκτιμήσεις της στερεοαπορροής από τις μετρήσεις της μάζας φερτών υλικών που έχουν αποτεθεί σε ταμιευτήρες Έμμεσες εκτιμήσεις της στερεοπαροχής από τη μέτρηση εναλλακτικών μεταβλητών (π.χ. Θολότητα, συγκέντρωση Cs, κ.ά)

ΕΜΠΕΙΡΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΣΤΕΡΕΟΑΠΟΡΡΟΗΣ Σχέσεις παλινδρόμησης μεταξύ της στερεοαπορροής και μορφολογικών χαρακτηριστικών των λεκανών απορροής Καμπύλες παροχής - στερεοπαροχής Παγκόσμια Εξίσωση Εδαφικής Απώλειας (ΠΕΕΑ) Universal Soil Loss Equation (USLE)

Η επίδραση της επιφάνειας της λεκάνης απορροής στην στερεοαπορροή Dendy and Bolton (1976), δεδομένα από 800 λεκάνες στις ΗΠΑ, S Y Avendano Salas et al., (1997), δεδομένα από 60 λεκάνες στην Ισπανία 0.43 2 S Y = 674A = 4139A 0.16 Webb and Griffiths (2001), δεδομένα από 37 λεκάνες στην Αριζόνα Q S, R, R 1.04 = 193A, R 2 2 = = 0.68 0.17 = 0.86 Lu et al., (2003), δεδομένα από 248 λεκάνες απορροής στην Κίνα S Y = 849.15A 0.0785, R 2 = 0.7735 Moulder and Syvitski (1996), log( Q S 3.679, R ) = 0.406 log( A) + 1.279 log( H 2 = 0.67 max )

Συσχέτιση της στερεοπαροχής με την επιφάνεια της λεκάνης απορροής Μέση ετήσια στερεοπαροχή (kg/s). 100 10 Άραχθος - Γ. Γκόγκου Αχελώος - Αυλάκι Αώος - Γ. Κόνιτσας Εύηνος- Πόρος Ρηγανίου Αχελώος - Κρεμαστά Αλιάκμονας - Μ. Ιλαρίονα Αγραφιώτης - Άραχθος - Γ. Πλάκας Κρεμαστά Καλαμάς - Κιοτέκι Αλιάκμονας - Σιάτιστα Άραχθος - Γ. Τσίμοβου Ταυρωπός - Κρεμαστά Καλαμάς - Γ. Σουλόπουλο Βενέτικος - Γ. Γρεβενών Qs = 0.603A 0.5307 1 100 1000 10000 Επιφάνεια (km 2 )

Συσχέτιση της στερεοαπορροής με την 10000 επιφάνεια της λεκάνης απορροής Μέση ετήσια στερεοαπορροή (t/km 2 ). 1000 100 Αγραφιώτης - Κρεμαστά Άραχθος - Γ. Γκόγκου S Y = 18626A -0.4674 Αώος - Γ. Κόνιτσας Εύηνος- Πόρος Αχελώος - Αυλάκι Ρηγανίου Αχελώος - Κρεμαστά Άραχθος - Γ. Πλάκας Άραχθος - Γ. Καλαμάς - Κιοτέκι Τσίμοβου Αλιάκμονας - Μ. Ταυρωπός - Κρεμαστά Ιλαρίονα Καλαμάς - Γ. Σουλόπουλο Βενέτικος - Γ. Γρεβενών Αλιάκμονας - Σιάτιστα 10 100 1000 10000 Επιφάνεια (km 2 )

Συσχέτιση της στερεοαπορροής με τις πλημμυρικές παροχές Μέση ετήσια στερεοπαροχή (kg/s). 100 10 1 Άραχθος - Γ. Γκόγκου Καλαμάς - Γ. Σουλόπουλο Αλιάκμονας - Σιάτιστα Βενέτικος - Γ. Γρεβενών Αχελώος - Αυλάκι Αλιάκμονας - Μ. Αώος - Γ. Κόνιτσας Ιλαρίονα Εύηνος- Πόρος Ρηγανίου Άραχθος - Γ. Πλάκας Άραχθος - Γ. Τσίμοβου Καλαμάς - Κιοτέκι Q s = 0.0056Q max 1.4371 100 1000 Μέση ημερήσια πλημμύρα (m 3 /s)

Χωρική μεταβλητότητα της 10000 στερεοαπορροής Sediment yield (t/km2 1000 100 10 Δεδομένα από 42 διεθνείς υδρολογικές λεκάνες 1 100 1000 10000 100000 Area (km 2 )

Χρονική μεταβλητότητα της στερεοαπορροής Αρκετά ποτάμια μεταφέρουν το συντριπτικό ποσοστό της ετήσιας στερεοπαροχής σε λίγες μόνο ημέρες Τα ποτάμια στη Β. Αμερική μεταφέρουν το 50% της στερεοαπορροής στο 1% του χρόνου και το 90% στο 10% του έτους Ο ποταμός Eel στην Καλιφόρνια μετέφερε μέσα σε 3 ημέρες το 1964 το αθροιστικό φορτίο των 8 προηγούμενων ετών Ο ποταμός Var στη Γαλλία μεταφέρει σε πλημμύρα μιας ημέρας τη στερεοαπορροή ενός ολόκληρου έτους

Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής Εξίσωση Δύναμης ~ Q s = aq Στερεοπαροχή Q s : [M/T, kg/s] Παροχή Q: [L 3 /T, m 3 /s] b Παράμετρος α: : [M/T][ [T/L 3 ] b, κυμαίνεται μεταξύ τάξεων μεγέθους, δείχνει τη διαβρωσιμότητα της λεκάνης απορροής Εκθετική παράμετρος b: : Αδιάστατη, πολύ μικρή διακύμανση (1.5 2.5), δείχνει τη διαβρωτική ικανότητα του υδατορεύματος

Υπολογισμός μέσης ετήσιας στερεοπαροχής Ο υπολογισμός του φορτίου σε αιώρηση (σε μονάδες μάζας) γίνεται με τη σχέση: N N L = i= 1 f ( Q i ) t i = i= 1 Q Si t i Η μέση μηνιαία στερεοπαροχή υπολογίζεται είτε ως μέση τιμή των ημερήσιων στερεοπαροχών είτε με την εφαρμογή στην καμπύλη διάρκειας - παροχών

Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής (συν.) 10000 Στερεοπαροχή (Kgr/s) 1000 100 10 1 0.1 Υγρή περίοδος Ξηρή περίοδος 1 10 100 1000 Παροχή (m 3 /s)

Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής ~ log Qs = log a + b logq ~ Q s = aq Διόρθωση κατά Ferguson b Γραμμική παλινδρόμηση των λογαρίθμων Απο-λογαριθμοποίηση και επιστροφή στην εξίσωση δύναμης logq si = log a + blogq i + ε i ε Ν(0, σ 2 ) b Q s = aq n i log ni = ε Όρος σφάλματος λογαριθμ. Κανονική κατανομή i Όρος σφάλματος Λογαριθμο- Κανονική κατανομή E( n i ) = exp [ ] σ 2 2 2 (ln10) / 2 = exp(2.65σ ) Διορθωτικός Συντελεστής κατά Ferguson, 1987

Στερεοπαροχή (kg/s). 10000 1000 100 10 1 Παράδειγμα καμπύλης παροχής - στερεοπαροχής y = 0,0047x 1,9447 R 2 = 0,4096 0,1 1 10 100 1000 Παροχή (m 3 /s)

Παράδειγμα καμπύλης παροχής - στερεοπαροχής 10000 y = 0,0047x 1,9447 Στερεοπαροχή (kg/s) 1000 100 Διόρθωση κατά Ferguson, 1987 R 2 = 0,4096 10 1 0,1 1 10 100 1000 Παροχή (m 3 /s)

Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής (συν.) Για μια τιμή της παροχής, οι στερεοπαροχές μπορεί να διαφέρουν έως και δύο τάξεις μεγέθους Οι μετρήσεις γίνονται συνήθως κατά τη διάρκεια των μικρών παροχών επιδρώντας σημαντικά στην εξίσωση συσχέτισης Ελάχιστες (έως καθόλου) μετρήσεις γίνονται κατά τη διάρκεια πλημμυρών, όπου μεταφέρεται το συντριπτικό ποσοστό της ετήσιας στερεοπαροχής ως φορτίο απόπλυσης (wash( load) Η ομοσκεδαστικότητα των υπολοίπων είναι προϋπόθεση που σπάνια επιτυγχάνεται

Αποτέλεσμα σωστής διαχείρισης γης για περίοδο 20 ετών - Tana River, Garissa, Kenya Για παροχή 500 m 3 /s, η στερεοπαροχή μειώθηκε 10 φορές

Λεκάνες απορροής Αυλάκι > 1358 km 2 Μεσοχώρα > 633 km 2 Βροχόπτωση Αυλάκι > 1661mm Μεσοχώρα > 1630mm Απορροή Αυλάκι > 59.1m 3 /s Μεσοχώρα > 22.5m 3 /s

Στερεοϋδρομετρήσεις και καμπύλες με ενιαία παλινδρόμηση 120 Στερεοπαροχή Qs, (kg/s) 90 60 30 ΜΕΣΟΧΩΡΑ Q s = 0.0078Q 1.5131 R 2 = 0.892 ΑΥΛΑΚΙ Q s = 0.0012Q 2.1107 R 2 = 0.70 0 0 50 100 150 200 250 Παροχή Q, (m 3 /s)

Στερεοϋδρομετρήσεις στη θέση Αυλάκι 100 Στερεοπαροχή (kg/s) 10 1 10 100 1000 Παροχή (m 3 /s)

Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής με 1000 τεθλασμένη παλινδρόμηση Q = 60 m 3 /s Στερεοπαροχή (kg/s) 100 10 Q s =0.69*Q 0.36 Q s =0.0059*10-4 *Q 3.78 R 2 =0.70 R 2 =0.012 1 10 100 1000 Παροχή (m 3 /s)

Καμπύλες παροχής στερεοπαροχής με τεθλασμένη παλινδρόμηση

Μετρήσεις αιωρούμενου φορτίου

Μετρήσεις φορτίου κοίτης

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ