Εργαστήριο Υδρογεωλογίας - ΑΣΚΗΣΗ 1 Υδρολογικός κύκλος – Μορφολογική ανάλυση Εμμ. Ανδρεαδάκης

? Οι «κυρίαρχοι» 100 χιλ.χρ. πριν - Σήμερα 250-70 εκ. χρ. πριν 250-70 εκ. χρ. πριν 500-400 εκ. χρ. πριν

Το νερό δεν προέρχεται από τη βρύση …και καθορίζει το βιοτικό μας επίπεδο

Εκμετάλλευση υπόγειου νερού στο παρελθόν Εκμετάλλευση υπόγειου νερού στο παρελθόν Γενικό σχήμα ανάπτυξης ενός συστήματος qanats. (1) Τμήμα εμπλουτισμού των στοών, (2) Μέρος μεταβίβασης ύδατος (τμήμα πάνω από τον υδροφόρο ορίζοντα), (3) Ανοικτό κανάλι (στοά), (4) Κάθετες στοές, (5) Μικρή λίμνη αποθήκευσης, (6) Περιοχή άρδευσης, (7) Άμμος και αμμοχάλικο, (8) Εδαφικά στρώματα, (9) Ισοδυναμική επιφάνεια υπόγειων νερών. Απομεινάρια της Περσεπόλεως, της αρχαίας πρωτεύουσα της Περσίας που χτίστηκε από τον Δαρείο Ι το 520 π.Χ., στο κέντρο της αεροφωτογραφίας. Οι σειρές των μικρών τρυπών που μοιάζουν με σημάδια αποκαλύπτουν την παρουσία διάφορων συστημάτων qanat κάτω από την επιφάνεια: κάθε τρύπα είναι η κορυφή ενός φρέατος εξαερισμού.

Νόμοι Διαχείρισης Υδατικών Πόρων στο παρελθόν Απόσπασμα του νόμου του Σόλωνα που αναφέρεται στις επιτρπόμενες αποσπάσεις ανόρυξης φρέατος από δημόσιο ή ιδιωτικό φρέαρ. (Πλουτάρχου, Σόλων, 23): «Επειδή δεν υπάρχουν ούτε ποταμοί μόνιμης ροής ούτε λίμνες ούτε άφθονες πηγές στη χώρα, αλλά οι περισσότεροι χρησιμοποιούσαν κατασκευασμένα φρέατα, έγραψε νόμο, όπου υπάρχει σε ακτίνα 740 μέτρων δημόσιο φρέαρ, να χρησιμοποιούν αυτό. … όπου δεν υπάρχει, να κατασκευάζουν μόνοι τους. Αν δεν βρουν νερό σε βάθος 18,5 μέτρων, τότε να παίρνουν από το γείτονα μια υδρία από δυο φορές την ημέρα. … Όρισε και αποστάσεις στις καλλιέργειες … διατάζοντας όποιοι φυτεύουν ο,τιδήποτε άλλο να απέχει 1,5 μέτρα από του γείτονα, και όποιοι φυτεύουν συκιά ή ελιά να απέχει 2,7 μέτρα, γιατί οι ρίζες τους φτάνουν πιο μακριά και αφαιρούν την τροφή από τα γειτονικά τους, ή τα βλάπτουν οι απορροές τους. Και όποιος θέλει να ανοίξει βόθρους και τάφρους, σε όσο βάθος φτάνουν τόσο να απέχουν και μεταξύ τους, και όποιος βάζει μελίσσια, να απέχουν από τα υφιστάμενα 90 μέτρα.». Ο Σόλων παραδίδει τους νόμους του στους Αθηναίους. Perino del Vaga, Solon Giving Laws to the Athenians, c. 1541.Lent from the Royal Library by Her Majesty Queen Elizabeth II (National Gallery of Art, Washington D.C.).

Τεχνολογία Διαχείρισης Υδατικών Πόρων στο παρελθόν Στη θητεία του Αρχιμήδη στην Αίγυπτο γύρω στο 250 π.Χ., αποδίδεται ο κοχλίας άντλησης νερού (πάνω) που βρήκε ευρύτατη εφαρμογή στην αποστράγγιση των ρωμαϊκών ορυχείων (Διόδωρος Σικελιώτης, Ιστορίαι), και η άντληση με ποδήλατο τροχό (κάτω). Πηγή: http://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Screw/SourcesScrew.html (New York University, Department of Mathematics). Τα υδραγωγεία της Ρώμης (αναπαράσταση). Πηγή: (Πίνακας του Zeno Diemer, Deutsches Museum, Μόναχο, από Lettenmaier, 2004).

Διαχείριση Υδατικών Πόρων στο παρελθόν Ανόρυξη γεώτρησης στις ΗΠΑ τη δεκαετία του 1870 με «ιπποδύναμη». Αυτοκινούμενα ατμοκίνητα γεωτρύπανα της δεκαετίας του 1900.

Οι γνώσεις για το νερό δεν ήταν πάντα ίδιες Αρχαιότητα – 1400 μ.Χ. Περίοδος της Υπόθεσης Θαλής, Πλάτωνας, Αριστοτέλης, Σενέκας, Πλίνιος, Μάρκος Βιτρούβιος 1400-1600 Περίοδος της Παρατήρησης Da Vinci, B. Palissy, κατανόηση του υδρολογικού κύκλου, αρχή της συνεχείας 1600-1700 Περίοδος της Μέτρησης Επιστήμη της Υδρολογίας (Perrault, Mariotte, Halley) 1700-1800 Περίοδος του Πειραματισμού Υδραυλική (Bernoulli, Pilot, Chezy, etc) 1800-1900 Περίοδος του Εκσυγχρονισμού Υδρολογία υπόγειων νερών, σύγχρονη υδρολογία (Darcy, Poiseulle, Dupuit, Thiem, Ghyben – Herzberg, etc) 1900-1930 Περίοδος του Εμπειρισμού Εμπειρικοί τύποι για τα μεγέθη του υδρολογικού κύκλου 1930-1950 Περίοδος του Ορθολογισμού Μοναδιαίο υδρογράφημα (Sherman), Θεωρία κατείσδυσης (Horton), Υδραυλική των φρεάτων (Theis), Ανάλυση συχνότητας υδρολογικών δεδομένων (Gumbel), Στατιστική (Hazel), Υδρομετεωρολογία (Bernard). 1950-σήμερα Περίοδος της Θεωρίας Ανάλυση συστημάτων με χρήση Η/Υ. Σύγχρονη μηχανική ρευστών. Θεωρητική Υδρολογία. Ιστορική εξέλιξη της Υδρολογίας (Ven Te Chow, 1964, από Καλλέργης, 1999).

Οι μοναχοί από το Artois και οι υπό πίεση υδροφόροι

Αντικείμενο της Υδρογεωλογίας ΠΟΥ ανεύρεση υπόγειων κοιτασμάτων νερού ΠΟΣΟ ποσοτική εκτίμηση ΤΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ποιοτική σύσταση ΠΩΣ Ορθολογική εκμετάλλευση Προστασία από τη ρύπανση

Αντικείμενο της Υδρογεωλογίας Σχέσεις Γεωλογίας και ύπαρξης υπόγειου νερού Κίνηση του υπόγειου νερού (ανάπτυξη εξισώσεων) Μελέτη της Χημείας του υπόγειου νερού

Αντικείμενο της Υδρογεωλογίας Στις υδρογεωλογικές μελέτες πρέπει να εξετάζονται: Οι σχέσεις του υπόγειου νερού με το επιφανειακό. Απαιτούνται στοιχεία: μετεωρολογικά μορφολογικά γεωλογικά Ο ρόλος που παίζουν οι γεωλογικές δομές και οι σχηματισμοί στην αποθήκευση και κίνηση του υπόγειου νερού (Γεωλογία) Οι νόμοι που διέπουν την κίνηση του υπόγειου νερού (Υδραυλική) Οι μεταβολές των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του νερού κατά την κίνηση στο υπέδαφος (Υδροχημεία) Η προστασία από τη ρύπανση ανάλογα με τη φύση του υδροφόρου σχηματισμού (Τρωτότητα)

P=E+R+I P E I R

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)

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).

Εξατμ(ισ)οδιαπνοή - Evapotranspiration Εξατμισοδιαπνοή: η επιστροφή του νερού στην ατμόσφαιρα Εξατμισοδιαπνοή = Εξάτμιση + Διαπνοή Εξάτμιση: μετάβαση του νερού από την υγρή στην αέρια φάση Συμβαίνει όταν το νερό που μεταβαίνει από την υγρή στην αέρια φάση είναι περισσότερο από αυτό που μεταβαίνει από την αέρια στην υγρή. Συμβαίνει σε ελεύθερες υδάτινες επιφάνειες και στην επιφάνεια του εδάφους Διαπνοή: η απόδοση υδρατμών στην ατμόσφαιρα από το μεταβολισμό των φυτών

Εξατμισοδιαπνοή (παγκοσμίως) Mu et al., 2007: Remote sensing of environment

Εξατμισοδιαπνοή Εξάτμιση (παράγοντες): Διαπνοή (παράγοντες): Θερμοκρασία νερού Θερμοκρασία/υγρασία αέρα Άνεμος Πίεση υδρατμών Ποσότητα δ/νων αλάτων Βάθος επιφ. Υδροφόρου Δομή και σύσταση του εδάφους – υδρ. Αγωγιμότητα Βροχοπτώσεις Διαπνοή (παράγοντες): Είδος, μέγεθος, στάδιο ανάπτυξης φυτών Υγρασία υπεδάφους Εποχή του έτους Καιρικές συνθήκες

Κατείσδυση (Infiltration) Κατείσδυση (ως διεργασία) 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

Επιφανειακή Απορροή - Runoff Απορροή: Το τμήμα του νερού των κατακρημνισμάτων που πέφτει στην επιφάνεια του εδάφους και δεν εξατμίζεται, ούτε κατεισδύει, αλλά κυλάει επιφανειακά και οδηγείται προς τα υδρορεύματα (χείμαρροι, ποτάμια) και τελικά προς τη θάλασσα. Περιλαμβάνει: Το νερό που πέφτει απευθείας στα υδρορεύματα Το νερό που απορρέει επιφανειακά στην επιφάνεια του εδάφους και καταλήγει στα υδρορεύματα Την υποδερμική ροή (στα ανώτερα τμήματα του εδάφους) Την τροφοδοσία των υδρορευμάτων από πηγές.

Επιφανειακή Απορροή - Runoff

Λεκάνη Απορροής Λεκάνη απορροής ενός ποταμού ή υδρολογική λεκάνη ονομάζεται ένα τμήμα της επιφάνειας του εδάφους πάνω στο οποίο τα νερά που ρέουν επιφανειακά αποστραγγίζονται μόνο από το υδρογραφικό δίκτυο του εν λόγω ποταμού. Υδροκρίτης ή υδροκριτική γραμμή ονομάζεται το όριο μιας υδρολογικής λεκάνης. Σχηματίζεται ενώνοντας τα ψηλότερα σημεία μιας περιοχής Εκατέρωθεν του υδροκρίτη τα επιφανειακά νερά κατευθύνονται προς διαφορετικές λεκάνες απορροής. Χαράσσεται πάνω σε τοπογραφικό χάρτη. Όσο πιο λεπτομερής είναι ο χάρτης και όσο πιο μικρή είναι η ισοδιάστασή του, τόσο πιο ακριβής είναι η χάραξη του υδροκρίτη.

Λεκάνη Απορροής

Λεκάνη Απορροής

Υπολογισμός του υδρολογικού ισοζυγίου - Παράγοντες Στοιχεία μιας λεκάνης απορροής που παίζουν ρόλο στον υπολογισμό του υδρολογικού ισοζυγίου είναι: Το κλίμα (βροχοπτώσεις, θερμοκρασία κ.λπ.) Η φύση των πετρωμάτων που καλύπτουν τη λεκάνη Καθορίζει τους κατάλληλους τύπους και μεθοδολογίες για τον άμεσο ή έμμεσο προσδιορισμό των παραμέτρων του ισοζυγίου Η μορφολογία της λεκάνης και το είδος του υδρογραφικού δικτύου. Με την ποσοτική μορφολογική ανάλυση της λεκάνης και του υδρογραφικού δικτύου προσδιορίζουμε δείκτες που βοηθούν στην εκτίμηση παραμέτρων του υδρολογικού ισοζυγίου Μέση κλίση λεκάνης Υψογραφική καμπύλη Μέσο υψόμετρο

Μορφολογική ανάλυση Υψογραφική καμπύλη Μετράμε το εμβαδόν της επιφάνειας μεταξύ δύο διαδοχικών ισοϋψών Μετατρέπουμε αυτό το εμβαδόν σε ποσοστό επί της συνολικής επιφάνειας Για όλες τις τιμές ισοϋψών βρίσκουμε το αθροιστικό επί τοις εκατό ποσοστό Προβάλλουμε τα ζεύγη τιμών (ζεύγος ισοϋψών, αντίστοιχο αθροιστικό εμβαδό %) σε σύστημα ορθογωνίων αξόνων Η γραμμή που ενώνει τα σημεία αυτά αποτελεί την υψογραφική καμπύλη. Το ύψος των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων εξαρτάται και από το απόλυτο υψόμετρο Η κατανομή των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων σε μια περιοχή εξαρτάται από την κατανομή της επιφάνειας στα διάφορα υψόμετρα.

Μορφολογική ανάλυση Υψογραφική καμπύλη

Μορφολογική ανάλυση Μέσο υψόμετρο Είναι το θεωρητικό απόλυτο υψόμετρο που θα είχε μια περιοχή μετά την εξομάλυνση όλων των μορφολογικών ανωμαλιών και τη δημιουργία μιας ενιαίας οριζόντιας επιφάνειας Υπολογίζεται από τον τύπο: Ημ: μέσο υψόμετρο α: εμβαδόν επιφάνειας μεταξύ δύο διαδοχικών ισοϋψών ε: ημιάθροισμα των τιμών δύο διαδοχικών ισοϋψών Ε: συνολικό εμβαδόν της λεκάνης Το μέσο υψόμετρο σε συνδυασμό με την βροχοβαθμίδα χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του όγκου των βροχοπτώσεων που πέφτουν στην περιοχή

Μορφολογική ανάλυση Μέση κλίση λεκάνης α: μέση κλίση D: ισοδιάσταση Ln: μήκος ισοϋψούς καμπύλης κ: ελάχιστη τιμή ισοϋψούς καμπύλης λ: μέγιστη τιμή ισοϋψούς καμπύλης Ε: έκταση της λεκάνης Για τον ίδιο γεωλογικό σχηματισμό: Όσο αυξάνει η μορφολογική κλίση αυξάνει ο συντελεστής απορροής Όσο μειώνεται η μορφολογική κλίση αυξάνεται ο συντελεστής κατείσδυσης

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation) Το νερό που συγκεντρώνεται σε κοιλότητες στην επιφάνεια της γης ή αποθηκεύεται μέσα σε γεωλογικούς σχηματισμούς εξαρτάται από τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα Αυτά δημιουργούνται από τη συμπύκνωση των υδρατμών της ατμόσφαιρας Αυτό συμβαίνει σε θερμοκρασία μικρότερη από το σημείο δρόσου (θερμοκρασία κορεσμού) Με απευθείας ακτινοβολία προς τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας Με την επαφή ή ανάμειξη με ψυχρότερες μάζες αέρα Με αδιαβατική εκτόνωση κατά τη μετακίνηση υγρού-θερμού αέρα προς περιοχές με χαμηλότερη βαρομετρική πίεση Τότε οι υδρατμοί κατακρημνίζονται σαν Βροχή Χιόνι Χαλάζι δροσιά P=E+R+I

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation) Οι σπουδαιότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα είναι οι εξής: Ο χρόνος: τα ατμοσφαιρκά κατακρημνίσματα αλλάζουν για την ίδια εποχή με το χρόνο Το γεωγραφικό πλάτος και η απόσταση της περιοχής από τη θάλασσα. Κατά κανόνα, το μέσο ετήσιο ύψος βροχής μειώνεται αυξανόμενου του γεωγραφικού πλάτους ή της απόστασης από τη θάλασσα. Το υψόμετρο και η μορφολογία της περιοχής. Το μέσο ετήσιο ύψος βροχής αυξάνει, αυξανομένου του υψομέτρου και του αναγλύφου. Ο προσανατολισμός της περιοχής σε σχέση με τη θάλασσα ή τη διεύθυνση των επικρατούντων ανέμων. Η μέση θερμοκρασία της περιοχής. Η υγρασία της περιοχής. Η ύπαρξη στην ατμόσφαιρα υγροσκοπικών πυρήνων συμπύκνωσης (π.χ. σκόνη, γύρη, ηφαιστειακή στάχτη κ.λπ.) P=E+R+I

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation) Source: Man's Domain, a Thematic Atlas of the World. Norman J. W. Thrower, editor, McGraw-Hill 1970

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation)

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation) Μέτρηση των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων Η ποσότητα και η ένταση των βροχοπτώσεων μετράται με τα βροχόμετρα Η τοποθέτηση των βροχομέτρων σε μια περιοχή δεν είναι τυχαία. Λαμβάνονται υπόψη: Η μορφολογία Το υψομετρικό εύρος Η διεύθυνση των ανέμων Η θέση τοποθέτησης Η ευκολία πρόσβασης στο χώρο Ο σκοπός του δικτύου Με κατάλληλα όργανα μετράται επίσης το χιόνι, η δροσιά κ.λπ.

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation) Ύψος βροχής: Είναι η συνολική ποσότητα του νερού που πέφτει με οποιαδήποτε μορφή κατακρημνισμάτων σε μια δεδομένη οριζόντια επιφάνεια, σ’ ένα ορισμένο χρονικό διάστημα (ώρα, ημέρα, μήνας, χρόνος κ.λπ.) Μετριέται σε χιλιοστά του μέτρου (mm) Βροχομετρικός δείκτης Είναι ο μέσος των ετήσιων κατακρημνισμάτων σε χιλιοστά για μια χρονική περίοδο τουλάχιστον 30 ετών. Στις υδρογεωλογικές μελέτες γίνεται χρήση του βροχομετρικού δείκτη

Ατμοσφαιρικά Κατακρημνίσματα P (Precipitation) Όγκος των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων: Για να υπολογίσουμε τον όγκο αυτόν για μια περιοχή, πρέπει να γνωρίζουμε το εμβαδόν της περιοχής (Ε) και το μέσο ύψος βροχής (h) που δέχεται η περιοχή. Το γινόμενο του εμβαδού επί το μέσο ύψος βροχής μας δίνει τον όγκο των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων που πέφτουν στην περιοχή.

Βροχοβαθμίδα Συνήθως τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα αυξάνονται ανάλογα με το υψόμετρο. Βροχοβαθμίδα είναι η μεταβολή του ύψους βροχής ανά μονάδα μεταβολής του υψομέτρου (mm/m). Για τον υπολογισμό της βροχοβαθμίδας απαιτούνται τα απόλυτα υψόμετρα των βροχομετρικών σταθμών και τα αντίστοιχα ύψη βροχής Κατασκευάζουμε την καμπύλη μεταβολής του ύψους βροχής συναρτήσει του υψομέτρου των σταθμών Στις τετμημένες (x) τοποθετούμε τα υψόμετρα Στις τεταγμένες (y) τοποθετούμε τα ύψη βροχής Η κλίση της ευθείας μας δίνει τη βροχοβαθμίδα

Βροχοβαθμίδα Η επίλυση μπορεί να γίνει γραφικά ή με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων …συνεχίζεται