Εργαστήριο Υδρογεωλογίας - ΑΣΚΗΣΗ 4 Κατείσδυση – Πορώδες - Υδροφόροι ορίζοντες – Πηγές Εμμ. Ανδρεαδάκης

P=E+R+I P E I R

Παγκόσμιο Υδρολογικό Ισοζύγιο Σχηματική απεικόνιση του υδρολογικού κύκλου στη γήινη επιφάνεια και ενδεικτικά μεγέθη όγκου νερού που καταμερίζονται στις διάφορες επιμέρους διαδικασίες (σε χιλιάδες km3/έτος). 1: Ατμ. κατακρημνίσματα στη θάλασσα, 2: Ατμ. κατακρημνίσματα στην ξηρά, 3: Εξάτμιση από τη θάλασσα, 4: Εξατμισοδιαπνοή από την ξηρά, 5: Επιφανειακή απορροή, 6: Κατείσδυση (υπόγεια νερά και εδαφική υγρασία).

P = E + R + I Υδρολογικό ισοζύγιο 100% = E%+R%+I% Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα (βροχή, χιόνι, δρόσος, πάχνη κ.λπ.) Ε: Εξατμισοδιαπνοή (Εξάτμιση: μετάβαση του νερού από την υγρή στην αέρια φάση + Διαπνοή: η απόδοση υδρατμών στην ατμόσφαιρα από το μεταβολισμό των φυτών) R: Επιφανειακή Απορροή (το νερό που κυλάει λόγω της βαρύτητας στην επιφάνεια του εδάφους και οδηγείται μέσα από τα υδρορεύματα προς τις λίμνες ή τη θάλασσα) Ι: Κατείσδυση (το νερό των κατακρημνισμάτων που διεισδύει στο έδαφος και διηθείται προς βαθύτερα στρώματα και αναπληρώνει τη φυσική υγρασία ή εμπλουτίζει τους υδροφόρους ορίζοντες). Εφαρμόζεται σε: Υδρολογική λεκάνη Γεωλογικό σχηματισμό Εκφράζεται σε: Ποσοστά (%) Ύψος βροχής (mm) Όγκο (m3) όταν γνωρίζουμε την έκταση της λεκάνης ή της εμφάνισης του σχηματισμού P = E + R + I 100% = E%+R%+I% P(m3)=E(m3)+R(m3)+I(m3) P(mm)=E(mm)+R(mm)+I(mm)

Κατείσδυση Κατείσδυση (ως διεργασία) Κατείσδυση (ως ποσότητα) Η διαδικασία με την οποία το νερό μπαίνει στα επιφανειακά στρώματα του εδάφους και στη συνέχεια κινείται προς τα βαθύτερα στρώματα Κατείσδυση (ως ποσότητα) Το μέγιστο ποσό νερού που μπορεί να απορροφήσει συγκεκριμένο έδαφος (ή πέτρωμα) σε δεδομένο χρόνο.

Παράγοντες που επηρεάζουν την Κατείσδυση Μορφολογική κλίση Μικρή κλίση => Μεγάλη κατείσδυση Λιθολογική σύσταση και διαπερατότητα του εδάφους Μικρή κατείσδυση σε αργιλικά (λεπτόκοκκα) εδάφη Μεγάλη κατείσδυση σε αμμώδη (αδρόκοκκα) εδάφη Φυτοκάλυψη Ενισχύει την κατείσδυση (επιβραδύνει την επιφανειακή ροή, αυξάνει τη διαπερατότητα με τις ρίζες, ανακόπτει την ταχύτητα πτώσης του νερού, εμποδίζει την απόπλυση του εδάφους και την έμφραξη πόρων με λεπτόκοκκα υλικά) Ένταση και διάρκεια της βροχόπτωσης Μεγάλη ένταση => Μικρή κατείσδυση Μεγάλη διάρκεια => Μεγάλη κατείσδυση Υγρασία του εδάφους Παρουσία πάγου ή χιονιού Εποχή του έτους (λόγω μεταβολής της εξατμισοδιαπνοής)

Πού βρίσκεται το υπόγειο νερό; Το υπόγειο νερό κυκλοφορεί ή/και αποθηκεύεται στα κενά των γεωλογικών σχηματισμών

Πορώδες Οι γεωλογικοί σχηματισμοί δεν είναι εντελώς συμπαγείς Περιέχουν πρωτογενή και δευτερογενή κενά Πρωτογενή κενά: πόροι Δευτερογενή κενά: ρωγμές, διακλάσεις, ρήγματα, διευρυμένες ασυνέχειες Πρωτογενές πορώδες: Κενά ανάμεσα στους κόκκους Δευτερογενές πορώδες: Τεκτονικές ασυνέχειες, ασυνέχειες λόγω αποσάθρωσης (π.χ. λόγω πάγου) Δευτερογενές πορώδες: Διευρυμένες ασυνέχειες (Καρστ, διάλυση του ανθρακικού Ασβεστίου)

Πορώδες Πραγματικό ή ολικό πορώδες ονομάζουμε το λόγο των κενών Vv ενός πετρώματος προς το συνολικό όγκο του πετρώματος Vt: Ο συνολικός όγκος του πετρώματος Vs ισούται με το άθροισμα του όγκου των κενών Vv και του όγκου των στερεών Vt : Αν είναι γνωστό το πορώδες, μπορούμε να υπολογίσουμε τον όγκο των κενών του πετρώματος:

Πορώδες Χωρίζουμε τα πετρώματα ανάλογα με τον τύπο του πορώδους, σε δύο κατηγορίες: Κοκκώδεις (πορώδεις) ή μικροπερατοί σχηματισμοί. Πρόκειται για προσχωσιγενείς σχηματισμούς (άμμοι, κροκάλες, κορήματα κ.λπ.) και ιζηματογενείς κλαστικούς σχηματισμούς (ψαμμίτες, κροκαλοπαγή κ.λπ.). Το νερό κινείται μέσα από μικρούς πόρους. Ρωγμώδη ή μακροπερατά πετρώματα. Τα πετρώματα δεν έχουν πόρους Το νερό κινείται μέσα από ένα δίκτυο ρωγμών (γρανίτες, γνεύσιοι, βασάλτες κ.λπ.) ή και εγκοίλων (ασβεστόλιθοι) Υπάρχουν πετρώματα που παρουσιάζουν και πόρους και ρωγμές (π.χ. ψαμμίτης που φέρει διακλάσεις).

Υδρολιθολογική συμπεριφορά των γεωλογικών σχηματισμών Ανάλογα με τη σύσταση και την υφή τους, οι γεωλογικοί σχηματισμοί μπορούν: Να επιτρέπουν την είσοδο ή/και την κυκλοφορία νερού στη μάζα τους Να μην επιτρέπουν την είσοδο ή/και την κυκλοφορία νερού στη μάζα τους Τα πετρώματα (ή οι γεωλογικοί σχηματισμοί) για πρακτικούς λόγους διαιρούνται σε τρεις κατηγορίες: Υδροπερατά: πετρώματα που το νερό κυκλοφορεί μέσα τους εύκολα Πετρώματα που δεσμεύουν το νερό και δεν επιτρέπουν εύκολα την κυκλοφορία του Αδιαπέρατα (υδατοστεγή): πετρώματα που δεν επιτρέπουν τη διείσδυση του νερού μέσα τους Η ικανότητα που έχει ένα πέτρωμα να επιτρέπει τη διείσδυση και την κυκλοφορία του νερού μέσα του, λέγεται υδροπερατότητα.

Υδρολιθολογική συμπεριφορά των γεωλογικών σχηματισμών Υδροπερατοί σχηματισμοί: Κοκκώδη: άμμοι, χάλικες, κροκάλες ψαμμίτες, λατυποπαγή, κροκαλοπαγή Μακροπερατά-Καρστικά: ασβεστόλιθοι, μάρμαρα (Διάλυση CaCO3) Αδιαπέρατα (υδατοστεγή): πετρώματα που δεν επιτρέπουν τη διείσδυση του νερού μέσα τους Άργιλος, πηλός, ιλύς Μάργες Ιλυόλιθοι, πηλίτες Φλύσχης εναλλαγές των παραπάνω με ψαμμίτες και κροκαλοπαγή αδιαπέρατο σε σχέση με τον ασβεστόλιθο, σε μεγάλη κλίμακα Σχιστόλιθοι

Υδροφόροι ορίζοντες Υδροφόρος ορίζοντας: Υδροφορέας: Ο γεωλογικός σχηματισμός ή το πέτρωμα που περιέχει νερό εκμεταλλεύσιμο (μαζί με το νερό που περιέχει). Υδροφορέας: Ο γεωλογικός σχηματισμός καθαυτός (που μπορεί να περιέχει εκμεταλλεύσιμο νερό) Κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα υπάρχει αδιαπέρατος ή ημιπερατός σχηματισμός Πάνω από τον υδροφόρο ορίζοντα μπορεί να υπάρχει υδροπερατός, αδιαπέρατος ή ημιπερατός σχηματισμός

Τύποι υδροφόρων οριζόντων Ελεύθερος Υδροφόρος ορίζοντας: Μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας (στάθμης) και της επιφάνειας του εδάφους δεν παρεμβάλλεται αδιαπέρατος σχηματισμός Υπό Πίεση Υδροφόρος ορίζοντας: Ο υδροφόρος ορίζοντας περιορίζεται ανάμεσα σε δυο αδιαπέρατα στρώματα (υπερκείμενο και υποκείμενο) Υδροφόρος ορίζοντας με διαρροές Υπάρχει υπερκείμενο ή/και υποκείμενο στρώμα με περατότητα μικρότερη από αυτήν του υδροφόρου Ελεύθερος Υπό πίεση Ημιελεύθερος Μερικώς Υπό πίεση

Τύποι υδροφόρων οριζόντων Ελεύθερος Υπό Πίεση Πιεζομετρική Επιφάνεια Η δυναμική επιφάνεια ηρεμίας του υπόγειου νερού ονομάζεται πιεζομετρική επιφάνεια. Στην επιφάνεια αυτή, η υδροστατική πίεση γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική πίεση. Στους ελεύθερους υ.ο. η πιεζομετρική επιφάνεια βρίσκεται μέσα στον υδροφόρο. Στους υπό πίεση υ.ο. η πιεζομετρική επιφάνεια βρίσκεται ψηλότερα από τον υδροφόρο.

Τύποι υδροφόρων οριζόντων

Πηγές Πηγή: ονομάζεται η επιφανειακή εκροή του υδροφόρου ορίζοντα από φυσικά αίτια Το υπόγειο νερό ρέει επιφανειακά δημιουργώντας πηγή, όταν η τοπογραφική επιφάνεια τμήσει την πιεζομετρική επιφάνεια.

Πηγές Πηγή επαφής (κατιούσα): ονομάζεται η πηγή στην οποία το νερό κινείται υπό την επίδραση της βαρύτητας. Σχηματίζονται στο σημείο που συναντώνται: Η τοπογραφική επιφάνεια Η πιεζομετρική επιφάνεια Η επαφή του υπερκείμενου υδροπερατού στρώματος με το υποκείμενο αδιαπέρατο (ή σχετικά αδιαπέρατο). Σε χάρτη, η πηγή βρίσκεται στο χαμηλότερο τοπογραφικά σημείο της επαφής περατού – αδιαπέρατου. Σε τομή, η πηγή βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο της επαφής περατού - αδιαπέρατου

Πηγές Πηγή υπερπλήρωσης: ονομάζεται η πηγή στην οποία η επαφή περατού – αδιαπέρατου στρώματος και η μορφολογία σχηματίζουν μια λεκάνη, που πρέπει να είναι γεμάτη με νερό για να εκδηλωθεί η πηγή. Σχηματίζονται στο σημείο που συναντώνται: Η τοπογραφική επιφάνεια Η πιεζομετρική επιφάνεια Σε χάρτη, η πηγή βρίσκεται στο χαμηλότερο τοπογραφικά σημείο της επαφής περατού – αδιαπέρατου. Σε τομή, η πηγή βρίσκεται συνήθως ψηλότερα από την επαφή περατού - αδιαπέρατου

Πηγές

Καρστικά συστήματα και πηγές (σε ασβεστόλιθους – μάρμαρα)

Πηγή επαφής – Πηγή υπερπλήρωσης Ρ Ι

Συντελεστής κατείσδυσης Γενικά ο συντελεστής κατείσδυσης ενός σχηματισμού είναι το ποσοστό του νερού της βροχόπτωσης που κατεισδύει στο πέτρωμα Αν από μια πηγή βγαίνει όλο το νερό της κατείσδυσης, τότε ο όγκος του νερού της πηγής ισούται με τον όγκο της κατείσδυσης. Άρα: Ρ Ι

Συντελεστής κατείσδυσης Δύο πηγές εκφορτίζουν μια μάζα ασβεστόλιθου Ρ Ι Όλο το νερό της κατείσδυσης βγαίνει από δύο πηγές Α: η έκταση του ασβεστόλιθου h: το ύψος βροχής

Άσκηση 4β Στις προσχώσεις αναπτύσσεται ένας ελεύθερος υδροφόρος ορίζοντας Η έκταση των προσχώσεων είναι 10 km2 Το μέσο υψόμετρο της περιοχής των προσχώσεων υπολογίστηκε και βρέθηκε ίσο με 600 m. Η βροχοβαθμίδα στην περιοχή του χάρτη είναι 0,5 mm/m. Το μέσο ετήσιο ύψος βροχής, σε απόλυτο υψόμετρο μηδέν, είναι 500 mm. Η επιφανειακή απορροή, κατά το προηγούμενο υδρολογικό έτος, ήταν ίση με το 10% των βροχοπτώσεων, η δε εξατμισοδιαπνοή ανήλθε σε 5.200.000 m3. Το πορώδες των προσχώσεων είναι της τάξης του 12%.

Άσκηση 4β S=n Α Ημ Εξίσωση βροχοβαθμίδας Μέθοδος Μέσου υψομέτρου Στις προσχώσεις αναπτύσσεται ένας ελεύθερος υδροφόρος ορίζοντας Η έκταση των προσχώσεων είναι 10 km2 Το μέσο υψόμετρο της περιοχής των προσχώσεων υπολογίστηκε και βρέθηκε ίσο με 600 m. Η βροχοβαθμίδα στην περιοχή του χάρτη είναι 0,5 mm/m. Το μέσο ετήσιο ύψος βροχής, σε απόλυτο υψόμετρο μηδέν, είναι 500 mm. Η επιφανειακή απορροή, κατά το προηγούμενο υδρολογικό έτος, ήταν ίση με το 10% των βροχοπτώσεων, η δε εξατμισοδιαπνοή ανήλθε σε 5.200.000 m3. Το πορώδες των προσχώσεων είναι της τάξης του 12%. S=n Α Ημ Εξίσωση βροχοβαθμίδας Μέθοδος Μέσου υψομέτρου h=P(mm)=α*Ημ+β R=10% E=5.200.000 m3

Άσκηση 4β – Συντελεστής κατείσδυσης (1) Υδρολογικό ισοζύγιο Εφαρμόζεται σε: Υδρολογική λεκάνη Γεωλογικό σχηματισμό (προσχώσεις) Εκφράζεται σε: Ποσοστά (%) Ύψος βροχής (mm) Όγκο (m3) όταν γνωρίζουμε την έκταση της λεκάνης ή της εμφάνισης του σχηματισμού Εξίσωση βροχοβαθμίδας Μέθοδος Μέσου υψομέτρου h=P(mm)=α*Ημ+β P = E + R + I I = P- E - R R= 10% E= 5.200.000 m3 100% = E%+R%+I% P(m3)=E(m3)+R(m3)+I(m3) P(mm)=E(mm)+R(mm)+I(mm)

Άσκηση 4β – Πάχος προσχώσεων (2) Υποθέτουμε ότι όλο το πορώδες του σχηματισμού είναι ενεργό δηλαδή οι πόροι είναι συνδεδεμένοι και μπορούν όλοι να γεμίσουν με νερό, αλλά και να το αποδώσουν Τότε, ο όγκος του νερού που μπορεί να δεχθεί ο σχηματισμός, ισούται με τον όγκο των κενών Vv. Ο όγκος του νερού που μπορεί να δεχθεί ο σχηματισμός, είναι ο όγκος της κατείσδυσης (I σε m3) Χρησιμοποιούμε τον τύπο του πορώδους Όγκος κενών = Όγκος κατείσδυσης Πορώδες Όγκος σχηματισμού

Άσκηση 4β – Πάχος προσχώσεων (2) Στους ελεύθερους υδροφόρους ορίζοντες, το ενεργό πορώδες ταυτίζεται με τον συντελεστή εναποθήκευσης S. Συντελεστής εναποθήκευσης: Είναι ο λόγος του νερού Vνερ που μπορεί να αποδοθεί από ένα θεωρητικό ορθό πρίσμα με βάση 1m2 και ύψος ίσο με το ύψος του υδροφόρου ορίζοντα, όταν η στάθμη κατέβει κατά Δh, προς τον αντίστοιχο όγκο του υδροφορέα που εκκενώθηκε. Είναι καθαρός αριθμός

Άσκηση 4β – Πάχος προσχώσεων (2) Έκταση σχηματισμού Όγκος σχηματισμού Πάχος σχηματισμού Α b b

Άσκηση 4β Υδραυλική επικοινωνία προσχώσεων – ποταμού (3) Άσκηση 4β Υδραυλική επικοινωνία προσχώσεων – ποταμού (3) Το ποτάμι τροφοδοτεί τον υδροφόρο Στάθμη υδροφόρου χαμηλότερα από τη στάθμη του ποταμού Ο υδροφόρος τροφοδοτεί το ποτάμι Στάθμη υδροφόρου ψηλότερα από τη στάθμη του ποταμού

Άσκηση 4β Υδραυλική επικοινωνία προσχώσεων – ποταμού (3) Άσκηση 4β Υδραυλική επικοινωνία προσχώσεων – ποταμού (3) Υπάρχει υδραυλική επικοινωνία διότι οι προσχώσεις είναι υδροπερατές Ποιος τροφοδοτεί ποιον; Μετράμε παροχές ποταμού Στα σημεία εισόδου στις προσχώσεις Στο σημείο εξόδου από τις προσχώσεις Q1+Q2+Q3=Q4 Σε ισορροπία Q1+Q2+Q3>> Q4 Το ποτάμι τροφοδοτεί τον υδροφόρο Q1+Q2+Q3>Q4 Ο υδροφόρος τροφοδοτεί το ποτάμι Q2 Q3 Q1 Q4