Regulacja stosunków wodnych w dorzeczu Wykład 4. Fizyka wód gruntowych

Transkrypt

1 Regulacja stosunków wodnych w dorzeczu Wykład 4 Fizyka wód gruntowych

2 Typy wód gruntowych woda higroskopijna Woda higroskopijna Woda błonkowa Woda stykowa: zawieszona, infiltrująca Woda kapilarna Woda grawitacyjna woda błonkowa woda kapilarna woda grawitacyjna zamknięta otwarta strefa adhezji strefa kapilarna strefa aeracji zwierciadło wód gruntowych strefa saturacji

3 Własności filtracyjne gruntu Porowatość gruntu: współczynnik porowatości n wskaźnik porowatości e Wilgotność gruntu: wagowa objętościowa stopień nasycenia n = θ g = V V p G w G e = V V V θ = w V p s ϑ = θ θ θ n b θ b θ θ k n Wysokość ssania: h s = p a γ p Wysokość kapilarna h k : współczynnik wodoprzewodności k o : ruch powietrza

4 Rozkład wilgotności w gruncie v r v e q s strefa korzeniowa pokrywa glebowa v a q p Strefa pełnego nasycenia (saturacji) Strefa aeracji: podciśnienia wody gruntowej Strefa kapilarna: zamknięta wznios h k otwarta malejąca wilgotność Strefa adhezji: wilgotność błonkowa Wilgotność polowa: z infiltracji zwierciadło wód gruntowych v u v n q g θ(t,z) wilgotność gruntu zamknięta otwarta strefa adhezji strefa kapilarna strefa aeracji strefa saturacji

5 θ [% ] Charakterystyka wilgotności gruntu piasek AB 0/100 glina piaszczysta Castor pias ek mm glina touchet: hs/10 g lina pylas ta Grenville glina lekka Yolo g lina Northg ouver h s [cm]

6 Histereza wilgotności główna krzywa θ [%] osuszania 40 główna krzywa nawilŝania skanujące 30 krzywe osuszania skanujące θ 1 krzywe 20 nawilŝania krzywe θ 1 skanujące kolejnych rzędów 10 asymptotyczna zbieŝność do 0 krzywych 0 głównych h s [cm] osusza nie na wilŝa nie osusza nie 1 na wilŝa nie 1 osusza nie 2

7 Wzór Coreya-Brooksa Wilgotność gruntu: θ [% ] ϑ = h h C s m C pias ek Rehovot nawilŝanie pias ek Rehovot osuszanie piasek AB 0/100 nawilŝanie piasek AB 0/100 osuszanie 30 glina piaszczysta Cas tor pias ek mm 20 g lina Touchet: hs/10 glina pylasta 10 Grenville glina lekka Yolo g lina Northg ouver h s [cm]

8 Hydrauliczne równanie ruchu Formuła Darcy ego: v = k o S, k o S = H l współczynnik wodoprzewodności [m/s] p spadek hydrauliczny [-], gdzie: H = z + wysokość hydrauliczna γ Formuła Slichtera: v x = k x dh dx v y = k y dh dy v z dh dz = kz v = k H o grad Formuła Buckinghama-Darcy ego: v = k(θ ) grad H dla strefy nienasyconej

9 Charakterystyka przewodności gruntu k [cm/d] wilgotnościowa: k(θ) ciśnieniowa: k(h s ) ,1 0,01 piasek Rehovot osuszanie piasek Rehovot nawilŝanie piasek AB 0/100 glina Northgouver glina pylasta Grenville k /k o 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, ,001 0,0001 0, θ [% ] h s/ piasek Rehovot osuszanie piasek Rehovot nawilŝanie piasek AB 0/100 piasek mm glina Northgouver glina pylasta Grenville glina piaszczysta Castor glina lekka Yolo h k wzór Avjerianova: k = k o θ θ o n θo m k glina piaszczysta Castor glina lekka Yolo

10 Schematyzacja ruchu wód gruntowych Schematyzacja ruchu wód gruntowych w czasie: ruch nieustalony np.: wał przeciwpowodziowy ustalony np.: otoczenie zbiorników wodnych Schematyzacja ruchu wód gruntowych w przestrzeni: ruch przestrzenny np.: przyczółek, studnia niedogłębiona w strumieniu ruch płaski w planie np.: drenaŝ i piętrzenie, studnia dogłębiona w strumieniu (pod ciśnieniem) ruch płaski w przekroju pionowym np.: filtracja pod jazem, rów niedogłębiony ruch osiowosymetryczny np.: studnia dogłębiona w zbiorniku wód gruntowych ruch liniowy np.: rów dogłębiony Pojęcie hydrauliki wód gruntowych: v(x) ruch w jednym wymiarze przestrzennym kierunek ruchu z góry określony

11 Schematyzacja warunków hydrogeologicznych Warstwa wodonośna: w zaleŝności od przewodnictwa gruntu k o : warstwa wodonośna, słaboprzepuszczalna i nieprzepuszczalna miąŝszość geologiczna m i miąŝszość hydrodynamiczna h kompleksu wodonośnego: strop i spąg, zwierciadło wód gruntowych rozmiary warstw wodonośnych: w pionie: m < m (Kraków ~10 m); w poziomie: l x l, l = 10 do 1000 km Swobodne zwierciadło wód gruntowych: powierzchnia izobaryczna p = p a, brak róŝnicy w nasyceniu strefa saturacji poniŝej zwierciadła strefa aeracji powyŝej zwierciadła Przepływ swobodny a gruntowy: nieokreślona szerokość strumienia q = Q / b przepływ jednostkowy [m 3 /mb = m 2 /m] przepływ przez szkielet gruntowy woda wypełnia część przestrzeni

12 Warstwa wodonośna strefa aeracji k m strop spąg strefa saturacji h H filtracja pod ciśnieniem filtracja ze swobodnym zwierciadłem

13 Schematyzacja warunków przepływu ReŜimy filtracji: swobodny: górną granicą warstwy jest swobodne zwierciadło, m = h(h) napięty: górną granicą warstwy jest jej strop, m = constans nadkład półprzepuszczalny: reŝim napięty, nadkład chłonie wodę (jej ruch tylko w pionie) Pole prędkości w warstwie wodonośnej: przepływ poziomy a pionowy: w l v x h w v z v x h / l 0.1 % v x załoŝenie Dupuit a (1863): v z 0 dh/dz = 0 H = const rozkład ciśnień w profilu: p = γ z hydrostatyczny rozkład ciśnienia w pionie