Ταµιευτήρες συγκράτησης φερτών υλών Οποιαδήποτε εσοχή του εδάφους µπορεί να λειτουργήσει σαν ταµιευτήρας συγκράτησης φερτών υλών. Τον ίδιο ρόλο παίζουν και οι φυσικές λίµνες και οι µεγάλοι ταµιευτήρες.μπορούν να γίνουν µικρές κατασκευές για τον έλεγχο της µεταφοράς των φερτών υλών. Οι παράγοντες που προσδιορίζουν την συγκράτηση τους δια µέσα στον ταµιευτήρα είναι: α) τα φυσικά χαρακτηριστικά των φερτών υλών. β) τα υδραυλικά χαρακτηριστικά του ταµιευτήρα γ) το ιζηµατογράφηµα εισροής δ) το υδρογράφηµα εισροής ε) η γεωµετρία της λεκάνης στ) τα χηµικά χαρακτηριστικά του νερού και των φερτών υλών.
Παράγοντες που επιδρούν στην απόδοση του ταµιευτήρα Ηκατανοµήτουµεγέθουςτωνκόκκωνεπηρεάζειτηνταχύτητακαθίζησης, εποµένως, και την ικανότητα καθίζησης Μήκος διαδροµής για βάθος καθίζησης 1ft [30,5cm].
Παράδειγµα Νερό αντλείται µε σταθερή παροχή από ταµιευτήρα φερτών υλών έτσι ώστε η µέση ταχύτητα να είναι 30,5 cm/sec. Το άναντες άκρο του αγωγού εκροής είναι τοποθετηµένο σε τέτοια θέση ώστε το µέσο βάθος καθίζησης να είναι 70 cm. Να υπολογιστεί το µήκος του ταµιευτήρα που απαιτείται για να παρατηρηθεί καθίζηση 90% από τα δύο είδη φερτών υλών του πίνακα: Φερτές ύλες (Α) Φερτές ύλες (Β) ιάµετρος % λεπτότερα ιάµετρος % λεπτότερα mm mm 0,002 10 0,02 10 0,02 50 0,2 50 0,2 100 2,0 100 Είδη φερτών υλών σχετικού ειδικού βάρους 2,5.
Λύση Υποθέτουµε, χονδρικά, ότι το 90% ή και µεγαλύτερο ποσοστό από τα φερτά υλικά θα συγκρατηθεί στον ταµιευτήρα, από την επιφάνεια του µέχρι τον πυθµένα, όταν η διάµετρος αντιστοιχεί στους κόκκους µε ποσοστόλεπτότερωνυλικών 10%. Αφού το βάθος καθίζησης είναι 70cm, το µήκος διαδροµής προκύπτει όταν το αντίστοιχο µήκος από την εφαρµογή του σχετικού διαγράµµατος πολλαπλασιαστείµετολόγο 70/30,5. ΓιαταφερτάυλικάΑόπου D 10 = 0,002mm = 2 µm (χονδρόκοκκηάργιλος), ταχύτητα νερού U = 0,305m/sec προκύπτει από το διάγραµµα µήκος διαδροµής 100000*0,305m = 30500m = 30,5km για βάθος καθίζησης 30,5cm. Εποµένως για το βάθος καθίζησης των 70cm το µήκος είναι 30,5*70/30,5 = 70km. Οµοίως για τα φερτά υλικά Β, µε D 10 = 0,02mm = 20 µm, το µήκος διαδροµής για βάθος καθίζησης 70 cm είναι (1000*0,305)*70/30,5m = 700m. Παρατήρηση: η προηγούµενη λύση αποτελεί µία πρώτη προσέγγιση όπου η ροή είναι µόνιµη και στην ικανότητα συγκράτησης λαµβάνονται υπόψη µόνο τα στοιχεία που έχουν µήκος καθιζήσεως 70cm.
Φίλτρα µε λωρίδες φυτοκάλυψης (κυρίως γρασιδιού) (VFS) Τα φίλτρα βλάστησης ΦΒ [VFS (Vegetative Filter Strips)] αποτελούνται από ζώνες φυτών όπου οδηγείται η ροή µε φερτές ύλες και ρυπαντές πριν τη διάθεση της παροχής στον συλεκτήριο αγωγό. Η φυτοκάλυψη κυµαίνεται από γρασίδι και θάµνους µέχρι δένδρα. Για να είναι πιο αποδοτικά κατασκευάζονται κατά µήκος των ισοϋψών, δηλ. κάθετα στη γενική διεύθυνση της ροής. Η λειτουργία και απόδοση των τεχνητών ΦΒ µπορούν να υπολογιστούν αρκετά ικανοποιητικά. Για τα φυσικά ΦΒ δεν υπάρχουν πολλά στοιχεία, και εφαρµόζονται τα συµπεράσµατα από τα τεχνητά χωρίς τροποποιήσεις. Η ικανότητα συγκράτησης των φερτών υλών από τα φίλτρα βλάστησης είναι πολύ υψηλή και φθάνει και µέχρι 99%.
Μηχανισµοί παγίδευσης φερτών υλών σε VFS
Στο σχήµα φαίνονται οι τρεις µηχανισµοί συγκράτησης των φερτών υλών: (α) καθίζηση του φορτίου πυθµένα, στην αρχή του ΦΒ σχηµατίζοντας δέλτα, λόγω της µειωµένης ταχύτητας ροής. (β) παγίδευση του αιωρούµενου φορτίου από τη φυτοκάλυψη, όταν φθάσει στον πυθµένα, µε σχεδόν αδυναµία επανααιώρησης του (γ) παγίδευση των αιωρούµενων υλικών όταν φθάσουν στον πυθµένα και διηθηθούν στο έδαφος µε το νερό.
Ανάλυση της ροής Για τη µελέτη της ροής εφαρµόζεται η βαθµονοµηµένη εξίσωση του Manning έτσι ώστε να προσοµοιάζεται η ροή βάθους h σε περιοχή µε βλάστηση, όπου η απόσταση φυτών είναι Lv, προς τη ροή σε ορθογωνικό κανάλι µε το ίδιο βάθος και πλάτος, δηλ.: V= 1 n s R 2 / 3 S 1/ 2 o R= L L v v + h 2h
Τιµές παραµέτρων µελέτης υγροτόπων Φυτοκάλυψη Πυκνότητα/ Απόσταση Lv Α 1 n s Manning Α 2 1 2 3 4 5 (στελέχη/m 2 )/cm cm N/m 2 Συνιστώµενη φυτοκάλυψη Μπλέ bouteloua (blue grama) 3768/1,63 25 0,056 20/0,1 Lolium (ετήσιο)(ryegrass) 3875/1,70 18 0,056 20/0,1 Bermudagrass (cynodon dactylon) 5382/1,37 25 0,074 9/0,1 Centipedegrass 5382/1,37 15 0,074 5/0,1 Γρασίδι Kentucky (bluegrass) 3768/1,63 20 0,056 5/0,1 Γρασίδι Buffalo (buchloe dactyliodes) 4306/1,52 13 0,056 0,1/0,1 Τυπικά µη συνιστώµενη φυτοκάλυψη Τριφύλλι (alfalfa) 1076/3,05 36 0,037 20/0,05 Sericea lespedeza 646/3,94 41 0,037 5/0,05 Κοινή lespedeza 323/5,56 13 0,037 0,1/0,05 Γρασίδι του Σουδάν (sudangrass) 108/9,65 -- 0,037 0,1/0,05
Οι τιµές του προηγούµενου πίνακα σε καµία περίπτωση δεν πρέπει να χρησιµοποιηθούν σε άλλες περιπτώσεις. Οι προηγούµενες εξισώσεις ισχύουν µόνο εφόσον η φυτοκάλυψη δεν έχει πάρει κάποια κλίση δηλαδή παραµένει όρθια (φυσική της κατάσταση). Τη φυσική κατάσταση της φυτοκάλυψης οι Kowen et al (1981) ήλεγχαν µε τη σύγκριση της διατµητικής ταχύτητας της ροής u* προς την κρίσιµη διατµητική ταχύτητα της ροής u*1 όταν το φυτό θεωρηθεί ελαστικό (π.χ. γρασίδι) και u*2 όταν το φυτό θεωρηθεί µη ελαστικό δηλ.: u * = (ghs o ) 1/2, u *1 = 0,0277 + 6,33A 2, u *2 = 0,23A 2 g = ηεπιτάχυνσητηςβαρύτητας Α = ηακαµψία (σεν/m 2 ) Οιταχύτητες u *, u *1, u *2 προκύπτουνσε m/sec ΟιτιµέςτουΑγιακουρεµένηήµηφυτοκάλυψη
Παράδειγµα Αν η φυτοκάλυψη είναι Μπλέ bouteloua, να προσδιοριστεί το βάθος ροής και η ταχύτητα σε τεχνητό VFS, µε επιφανειακή ροή, κλίσης πυθµένα S o = 8% και παροχής q=7lit/sec/m(πλάτους). Να εξεταστεί αν η φυτοκάλυψη παραµένει στη φυσική της κατάσταση χωρίς να καµφθεί. Να εκτιµηθεί και ο αριθµός Reynolds.
Λύση α) εδοµένα από τον πίνακα µε τις τιµές παραµέτρων µελέτης υγροτόπων Ακαµψία µη κουρεµένου = 20 κουρεµένου = 0,1 Συντελεστής Manning n s = 0,056 Μέγιστο ύψος µη κουρεµένου = 25cm Ύψος κουρεµένου = 10cm L v = 1,63cm
β) Υπολογισµός ταχύτητας και βάθους q = hv = h[(1/n s )R 2/3 (S o ) 1/2 ] = (h/n s )(S o ) 1/2 [hl v /(2h + L v )] 2/3 0,007 = (h/0,056)(0,08) 1/2 [h*0,0163/(2*h + 0,0163)] 2/3 0,0216 = h 5/3 /(2*h +0,0163) 2/3 = f(h) Η προηγούµενη σχέση επιλύεται µε δοκιµές. Τελικά προκύπτει: h = 0,039m = 3,9cm R = 0,039*0,0163/(2*0,039 + 0,0163) = 0,00674m V = q/h = 0,007/0,039 = (1/0,056)*0,00674 2/3 *0,08 1/2 = 0,18m/sec
γ) Υπολογισµός του αριθµού Reynolds Υποθέτονταςκινηµατικόιξώδεςνερούν= 10-6 m 2 /sec R e = V(4R)/ν = (0,18*4*0,00674)/10-6 = 4853 δ) Έλεγχος της κατάστασης της φυτοκάλυψης u* 1 = 0,0277 +6,33*202 = 2532m/sec u* 2 =0,23*200,106 = 0,316m/sec u* = (9,81*0,039*0,08) 1/2 = 0,175m/sec < u * 2 =0,316m/sec (H u* συγκρίνεταιµετηµικρότερηαπότις u* 1 και u* 2 ) Επειδή u* < u* 1 ηφυτοκάλυψηθαπαραµείνειόρθια.