Προχωρημένη Υδρολογία Προχωρημένη Υδρολογία Διάλεξη: Υπόγεια Νερά και Μοντέλα Προσομοίωσης Εφαρμογή MODFLOW Koσσίδα Μάγκυ Ερευνήτρια Εργ. Υδρολογίας & Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΔΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Γενικά στοιχεία Υδρολογικός κύκλος – Ισοζύγιο Υπόγειοι υδροφορείς Νόμος Darcy Διείσδυση Θαλασσινού Νερού Μοντέλα Προσομοίωσης Εφαρμογές MODFLOW παράδειγμα hands on - tutorial Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ ΣΕ ΝΟΥΜΕΡΑ Ποσότητα Γλυκού νερού στη Γη 103 km3 (3.46%) 99.65 % 0.35 % Ένας άνθρωπος χρειάζεται 3 lt νερό/ημέρα Ένα καζανάκι χρησιμοποιεί 19 lt νερό/φορά Το 1995 οι ΗΠΑ αντλούσαν 290 δισεκ. lt/ημέρα υπόγειο νερό για χρήση (περίπου 1,300 lt /άτομο/ημέρα) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΥΠΟΓΕΙΟ ΝΕΡΟ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΔΥΣΚΟΛΙΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ Δεν είναι απαραίτητη η κατασκευή ταμιευτήρων (υδροφορείς = ταμιευτήρες) Απευθείας εκμετάλλευση, αποφυγή κόστους Αυτονομία γεωτρήσεων, σταδιακή ανάπτυξη του συστήματος εκμετάλλευσης Καλύτερη ποιότητα από τα επιφανειακά ΔΥΣΚΟΛΙΕΣ Ανομοιομορφία και ανισοτροπία των χαρακτηριστικών των υδροφορέων Ελλιπής γνώση της γεωμετρίας και των χαρακτηριστικών των υδροφορέων Συχνά σε μεγάλο βάθος, οικονομική επιβάρυνση Ροή σε δύο ή τρεις χωρικές διαστάσεις ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ Υφαλμύριση παράκτιων περιοχών Καθίζηση εδαφών (πτώση στάθμης) Υπεράντληση, αστοχία γειτονικών γεωτρήσεων (διοικητικά όρια) Μείωση της επιφανειακής τροφοδοσίας, διατάραξη του κύκλου του νερού (οικοσυστήματα) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ - ΙΣΟΖΥΓΙΟ P, Q μπορούν να μετρηθούν απ΄έυθείας και χρησιμοποιούνται για να ρυθμιστούν μοντέλα εξατμισοδιαπνοής και υπόγειας ροής Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΥΠΟΓΕΙΟΙ ΥΔΡΟΦΟΡΕΙΣ Εδαφικοί Τύποι Χαλαρά εδάφη Συνεκτικά εδάφη Υδροφορέας = γεωλογικός σχηματισμός που επιτρέπει τη διέλευση και αποθήκευση νερού μέσα στη μάζα του. Εδαφικοί Τύποι Χαλαρά εδάφη Μεγάλα, ανισομερή τεμάχη Χαμηλός λόγος επιφάνεια/βάρος Υψηλή υδραυλική αγωγιμότητα (Κ) Συνεκτικά εδάφη Μικροί κόκκοι Υψηλός λόγος επιφάνεια/βάρος Επιφανειακές δυνάμεις συνοχής Χαμηλή υδραυλική αγωγιμότητα (Κ) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Ορισμοί Κορεμένη ζώνη (saturated) Ακόρεστη ζώνη (unsaturated) Υδροφόρος ορίζοντας (water table) Το άνω μέρος της κορεσμένης ζώνης Τα επιφανειακά νερά είναι εκδηλώσεις του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα (εκτεθειμένος λόγω τοπογραφίας) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Ταπείνωση φρεάτιου (Δz) ορίζοντα Επιφάνεια (F) Συνολικός όγκος (Vt) ‘Ογκος στερεών (Vs) Όγκος διακένων (Vv) Ταπείνωση φρεάτιου ορίζοντα (Δz) Όγκος νερού που απελευθερώνεται (ΔV) Όγκος νερού που κατακρατείται αντιστεκόμενο στη βαρύτητα (ΔVr) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Εδαφικοί Παράμετροι Πορώδες n = Vv/Vt (n <1) Δείκτης πόρων e = Vv/Vs (μπορεί e>1 π.χ. mexican clay) Eιδική Απόδοση Sγ = ΔV/ (F*Δz) Ειδική κατακράτιση Sr = ΔVr/ (F*Δz) n = Sr + Sy Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Ταξινόμηση Φρεάτιος Υδροφορέας (ή υδροφορέας με ελεύθερη επιφάνεια) κάτω όριο = αδιαπέρατο στρώμα άνω όριο = έλέυθερη επιφάνεια υπόγειου νερού τροφοδοτούνται απευθείας με διηθούμενο νερό από την επιφάνεια οριζόντια ροή δυνατότητα μεταβολής του πάχους του υδροφορέα Περιορισμένος Υδροφορέας (ή Υπό πίεση) όρια = αδιαπέρατοι γεωλογικοί σχηματισμοί σε πηγάδι θα παρατηρήσουμε τη στάθμη (πιεζομετρική επιφάνεια) Αρτεσιανός = πιεζομετρική επιφάνεια ψηλότερα από τη στάθμη του εδάφους, ροή νερού λόγω πίεσης χωρίς αντλητικό σύστημα Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Μοναδιαία διαφορά στάθμης (Δh) ΦΡΕΑΤΙΟΣ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΤΗΤΑ S =ΔV/(Α*Δh)=Sy ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΟΤΗΤΑ Τ (m2/s) =Κ*b Έδαφος Μοναδιαία επιφάνεια υδροφορέα (Α) Μοναδιαία διαφορά στάθμης (Δh) Δh A Υδραυλική αγωγιμότητα (Κ) Κ b Πάχος υδροφορέα (b) Ροή Μοναδιαίος όγκος υδροφορέα (V) V ΔV Όγκος νερού που απομακρύνεται (προστίθεται) από μοναδιαία επιφάνεια και από μοναδιαία πτώση (αύξηση) της στάθμης (ΔV) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

πιεζομετρικού φορτίου ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΟΣ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑΣ Πιεζομετρική επιφάνεια Μοναδιαία διαφορά πιεζομετρικού φορτίου (Δφ) ΕΙΔΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Ss (m-1)=ΔV/(V*Δφ) Δφ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΤΗΤΑ S=ΔV/(A*Δφ)=Ss*b Έδαφος Μοναδιαία επιφάνεια υδροφορέα (Α) ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΟΤΗΤΑ Τ (m2/s) =Κ*b Υδραυλική αγωγιμότητα (Κ) Κ A b Ροή Πάχος υδροφορέα (b) Μοναδιαίος όγκος υδροφορέα (V) V ΔV Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Νόμος Darcy Q=K*A*(Δh/L) Q παροχή (m3/s) K υδραυλική αγωγιμότητα (m/s) L απόσταση πιεζομέτρων (m) Δh διαφορά πιεζομέτρικού ύψους (m) A εμβαδόν επιφάνειας αναφοράς (m2) Q=K*A*(Δh/L) Δh L Q A Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Δίκτυα Ροής 2D απεικόνιση της κατανομής του υδραυλικού φορτίου και της ροής του υπόγειου νερού σε κατάσταση ισορροπίας Κάναβος από γραμμές ροής και ισοπιεζομετρικές Ισοπιεζομετρικές = γραμμές ίσου υδραυλικού φορτίου Ροής = οδοί διέλευσης του νερού Αδιαπέρατο στρώμα Δw Δs Γραμμές ροής Περιορισμένος Υδροφορέας Ισοπιεζομετρικές γραμμές Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Q = K * i * A = K * Dh/Ds * (b* Dw) q = Q/ Dw = K * h * (p / f) Χρησιμότητα Υπολογισμός της ποσότητας του νερού Υπολογισμός Κ, Τα Πρόβλεψη της πορείας και ταχύτητας ροής Υπολογισμός του χρόνου διαδρομής Q = K * i * A = K * Dh/Ds * (b* Dw) q = Q/ Dw = K * h * (p / f) K = υδραυλική αγωγιμότητα h = συνολική πτώση υδραυλικού φορτίου (ΣΔw) p = αριθμός διαδρόμων ροής (ΣΔs) f = αριθμός διαφορών/πτώσεων υδραυλικού φορτίου Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Q = K * i * A = K * Dh/Ds * (b* Dw) q = Q/ Dw = K * h * (p / f) Χρησιμότητα Υπολογισμός της ποσότητας του νερού Υπολογισμός Κ, Τα Πρόβλεψη της πορείας και ταχύτητας ροής Υπολογισμός του χρόνου διαδρομής Q = K * i * A = K * Dh/Ds * (b* Dw) q = Q/ Dw = K * h * (p / f) K = υδραυλική αγωγιμότητα h = συνολική πτώση υδραυλικού φορτίου (ΣΔw) p = αριθμός διαδρόμων ροής (ΣΔs) f = αριθμός διαφορών/πτώσεων υδραυλικού φορτίου Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Αλληλεπίδραση Φρέσκου/Θαλασσινού Νερού σε Παράκτιους Υδροφορείς Το Φρέσκο και το Θαλασσινό Νερό είναι αναμίξιμα υγρά διαφορετικής πυκνότητας Μεταβατική Ζώνη: Μίξη Διασπορά Μοριακή διάχυση Biscayne Bay, Miami, FL Chemical Properties: Transition Zone Freshwater Brackish Seawater Brine TDS (mg/L) < 1,000 1,000-36,000 36,000 > 36,000 Chloride (mg/L) < 250 250-19,000 19,000 EPA Standards for Freshwater: TDS = 500 ppm, Chloride = 250 ppm Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Προσομοίωση της Μεταβατικής Ζώνης Διαφορετικές Προσεγγίσεις: Σαφής Διεπαφή (μη αναμίξιμα υγρά) Μεταβατική Ζώνη Διάχυσης (αναμίξιμα υγρά) Βάθος Διεπαφής βάθος διεπαφής αντιπροσωπεύει το 50% Αλατότητας 40 είναι η αναλογία: πάχος φρέσκου νερού: (Ghyben-Herzberg) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Διείσδυση Θαλασσινού Νερού (ΔΘΝ) Ορισμός: Μετανάστευση του πυκνότερου Θαλασσινού νερού στον υπόγειο υδροφορέα Πλευρική κίνηση  Εξάπλωση Θαλασσινού νερού Κάθετη ανοδική κίνηση  Διείσδυση Θαλασσινού νερού Συνέπειες: Ο φρέσκος υδροφορέας γίνεται υφάλμυρος Bιοποικιλότητα Μόλυνση & Εγκατάλειψη των παράκτιων πηγαδιών τροφοδοσίας Αιτίες: Γεωλογία (υψηλή διαπερατότητα εδαφών, παγιδευμένοι φακοί άλατος, απουσία αδιαπέρατης ζώνης) Παράκτια ‘Άντληση Καταστροφή φυσικών εμποδίων (κανάλια αποστράγγισης, παλιρροιακοί κολπίσκοι ) Υποεπιφανειακά ανθρώπινα αλατούχα απόβλητα Άνοδος της Στάθμης της Θάλασσας Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Εμφάνιση & Παραδείγματα ΔΘΝ: Μεσόγειος, ακτή Ατλαντικού, Κίνα Εμφάνιση & Παραδείγματα ΔΘΝ: Μεσόγειος, ακτή Ατλαντικού, Κίνα Lower Floridian Aquifer Atlantic Coast Η Πληθυσμιακή αύξηση θα εντείνει τις πιέσεις στους υπόγειου πόρους και το μέγεθος της ΔΘΝ Η Αύξηση της Στάθμης της Θάλασσας θα επιφέρει τα ίδια αποτελέσματα Upconing on Cape Cod Potomoc Aquifer, L.Island-N.Carolina Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΔΘΝ Παρακολούθηση: Αποκατάσταση: El.Conductivity Profile (mS) ΔΘΝ Παρακολούθηση: Γεωφυσικές Μέθοδοι Ηλεκτρομαγνητικές (Time Domain Electromagnetic Sounding) Σεισμική Ανάκλαση (Seismic Reflection) Γεωχημικές Μέθοδοι Αποκατάσταση: Κλασσικές Μέθοδοι Περιορισμός Άντλησης Μετοίκιση των παράκτιων φρεατίων Τεχνητός εμπλουτισμός υδροφορέα Άντληση Υφαλμυριμένου νερού Καινοτόμες Τεχνολογίες Συστήματα αποθήκευσης και αποκατάστασης υδροφόρων στρωμάτων ASR Αφαλάτωηση (Ανάστροφη Όσμωση) Injection/Extraction Well Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Moντέλα Προσομοίωσης Τύποι Κατανόηση της συμπεριφοράς των υπόγειων συστημάτων Πρόβλεψη για τη μελλοντική κατάσταση υπόγειων συστημάτων Ανάλυση υποθετικών σεναρίων ροής Τύποι Φυσικά (π.χ. δοχείο με άμμο) Αναλογικά (ακριβά, μη ευέλικτα) Μαθηματικά (βασικές εξισώσεις, εξίσωση ροής, νόμος Darcy, γνώση αρχικών και οριακών συνθηκών) Αριθμητικά (πολύπλοκα συστήματα, πολλές παράμετροι) Στοχαστικά/στατιστικά Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Finite Difference (block centered, mesh centered) Finite Element Διαδικασία Input Calibration Verification Field verification Τύποι Finite Difference (block centered, mesh centered) Finite Element Finite Volume MODFLOW Feflow MT3DMA Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο