Εργαστήριο Υδρογεωλογίας - ΑΣΚΗΣΗ 11 Επανάληψη

1. Εργαστήριο Υδρογεωλογίας - ΑΣΚΗΣΗ 11Επανάληψη Εμμ. Ανδρεαδάκης

2. Άσκηση • Δίνεται γεωλογικός χάρτης μιας περιοχής, κλίμακας 1:50.000. Στην περιοχή εμφανίζονται: φλύσχης, ασβεστόλιθοι και προσχώσεις. • Στη βάση του καλύμματος των ασβεστόλιθων εκδηλώνεται η πηγή Π της οποίας η ετήσια παροχή είναι 390.000m3. Το νερό της πηγής απάγεται με κλειστό αγωγό εκτός της περιοχής του χάρτη. • Οι ασβεστόλιθοι βρίσκονται σε μέσο υψόμετρο 280m και η έκτασή τους είναι 1.500.000m2. • Η βροχοβαθμίδα στην περιοχή είναι 0.20mm/m, ενώ η βροχόπτωση σε υψόμετρο 0m είναι 444mm. • Οι προσχώσεις βρίσκονται σε μέσο υψόμετρο 30m και η έκτασή τους είναι 5.000.000m2. • Στις προσχώσεις αναπτύσσεται ένας υδροφόρος ορίζοντας. Η μεταβολή της στάθμης του υδροφόρου ορίζοντα ανέρχεται, σε ετήσια βάση, σε 2m. Σ’ αυτόν έγινε δοκιμαστική άντληση* και η μεταβολή της στάθμης s σε συναρτήσει του logt δίνεται στο επισυναπτόμενο διάγραμμα. Η άντληση έγινε στη γεώτρηση Γ1 και η μεταβολή της στάθμης μετριόταν στο πιεζόμετρο Π1 που βρισκόταν σε απόσταση 10cm από την αντλούμενη γεώτρηση (βλέπε γεωλογικό χάρτη). Η παροχή άντλησης ήταν 19m3/h. Η θέση της γεώτρησης βρίσκεται σε υψόμετρο 25m και η στάθμη ηρεμίας της βρέθηκε σε βάθος 15m.

3. Άσκηση

4. Άσκηση • Η μέση παροχή του ποταμού είναι ανά θέση μέτρησης: • Στη γεώτρηση Γ1 έγινε χημική ανάλυση** του νερού, με τα παρακάτω αποτελέσματα:

5. Ζητούμενα • Να υπολογιστεί ο συντελεστής κατείσδυσης των ασβεστόλιθων και να σχολιάσετε εάν είναι ο πραγματικός ή όχι. • Να χαρακτηριστεί η πηγή και να δοθεί σχηματικά σε τομή ο μηχανισμός λειτουργίας της. • Να υπολογιστούν τα ρυθμιστικά αποθέματα των προσχώσεων. • Ποιος είναι ο συντελεστής κατείσδυσης των προσχώσεων; • Να σχεδιαστεί η πιεζομετρία του υδροφόρου ορίζοντα των προσχώσεων. • Ποιο το υδραυλικό φορτίο στη θέση της Γ1; • Να γίνει έλεγχος αξιοπιστίας της χημικής ανάλυσης. • Να καθοριστεί ο τύπος του νερού με το διάγραμμα Piper. • Ποιο ή ποια προβλήματα ποιότητας παρουσιάζονται, και πού μπορεί να οφείλονται; * Για τις προσχώσεις ισχύει η προσέγγιση των Cooper-Jacob σύμφωνα με την οποία: ** Επιτρεπόμενο όριο συγκέντρωσης (για πόσιμο νερό) για τα Cl-: 250mg/l, για τα SO42-: 250mg/l και για τα NO3-: 50mg/l. Επιτρεπόμενη αγωγιμότητα: 2500μS/cm.

6. 1. Συντελεστής κατείσδυσης ασβεστόλιθων • Ο συντελεστής κατείσδυσης είναι το ποσοστό της βροχόπτωσης που κατεισδύει στους ασβεστόλιθους, δηλαδή: • Ο ασβεστόλιθος (από ό,τι φαίνεται στο χάρτη) δεν έρχεται σε επαφή με άλλον σχηματισμό, εκτός από τον φλύσχη, του οποίου υπέρκειται τεκτονικά. • Ο φλύσχης είναι σχετικά αδιαπέρατος. • Συνεπώς, όλο το νερό που κατεισδύει στον ασβεστόλιθο εκφορτίζεται από την πηγή. Άρα: • Ο όγκος της βροχόπτωσης δίνεται από το γινόμενο του ύψους βροχής επί την έκταση των ασβεστόλιθων.

7. 1. Συντελεστής κατείσδυσης ασβεστόλιθων • Τα δεδομένα δεν μας δίνουν απευθείας ύψος βροχής στους ασβεστόλιθους. • Μας δίνουν όμως: • το μέσο υψόμετρο των ασβεστόλιθων, • τη βροχοβαθμίδα στην περιοχή και • το ύψος βροχής σε υψόμετρο μηδέν. • Χρησιμοποιούμε τη μέθοδο του μέσου υψομέτρου για τον υπολογισμό του ύψους βροχής. • Στην εξίσωση y=ax+b, παίρνουμε • ως a τη βροχοβαθμίδα • ως b το ύψος βροχής σε υψόμετρο 0 και • ως x το μέσο υψόμετρο των ασβεστόλιθων. • To y είναι το ύψος βροχής που μας χρειάζεται για τον υπολογισμό του όγκου της βροχόπτωσης στους ασβεστόλιθους, ώστε να υπολογιστεί ο συντελεστής κατείσδυσης.

8. 2. Μηχανισμός πηγής • 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). • Στο χάρτη, η πηγή βρίσκεται στο χαμηλότερο τοπογραφικά σημείο της επαφής περατού – αδιαπέρατου. • Σε τομή, η πηγή βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο της επαφής περατού - αδιαπέρατου

9. 3. Ρυθμιστικά αποθέματα προσχώσεων • Τα ρυθμιστικά αποθέματα των προσχώσεων μπορούμε να τα υπολογίσουμε • είτε αθροίζοντας το σύνολο των τροφοδοσιών ή των απωλειών του υ.ο. εφόσον θεωρήσουμε ότι δεν υπάρχει μεταβολή των μόνιμων αποθεμάτων • είτε από το συντελεστή εναποθήκευσης που για τους ελεύθερους υ.ο. ταυτίζεται με το ενεργό πορώδες. • όπου Α είναι η έκταση των προσχώσεων και • Δh η ετήσια πτώση στάθμης (ετήσια διακύμανση της στάθμης) • Χρησιμοποιούμε το δεύτερο τρόπο, εφόσον έχουμε δεδομένα δοκιμαστικής άντλησης και μπορούμε να υπολογίσουμε το συντελεστή εναποθήκευσης S.

10. 3. Ρυθμιστικά αποθέματα προσχώσεων • Εφαρμόζουμε τη μέθοδο Cooper-Jacob • Μετρώντας στο γράφημα το Δs (για δύο χρονικές στιγμές που απέχουν ένα λογαριθμικό κύκλο) υπολογίζουμε πρώτα το Τ. • Στη συνέχεια προεκτείνουμε την ευθεία μέχρι να τμήσει τον άξονα των χρόνων και μετράμε το t0, για να υπολογίσουμε το S. s(m) Δs Δs t2=10t1 t0

11. 4. Συντελεστής κατείσδυσης προσχώσεων • Ο συντελεστής κατείσδυσης είναι το ποσοστό της βροχόπτωσης που κατεισδύει στις προσχώσεις, δηλαδή: • Υπολογίζουμε τον όγκο της βροχόπτωσης στις προσχώσεις όπως κάναμε και για τους ασβεστόλιθους • με δεδομένο το μέσο υψόμετρο των προσχώσεων, τη βροχοβαθμίδα και το ύψος βροχής σε υψόμετρο μηδέν, υπολογίζουμε το ύψος βροχής των προσχώσεων • πολλαπλασιάζουμε το ύψος βροχής με την έκταση των προσχώσεων. • Πρέπει να γνωρίζουμε και τον όγκο της κατείσδυσης στις προσχώσεις. • Αυτό το δεδομένο θα προκύψει εφαρμόζοντας για τις προσχώσεις την εξίσωση υδρογεωλογικού ισοζυγίου.

12. 4. Συντελεστής κατείσδυσης προσχώσεων • Η κατείσδυση είναι μια από τις τροφοδοσίες των προσχώσεων (Vκατ.=Τκατ) • Έχουμε υπολογίσει από πριν τα ρυθμιστικά αποθέματα των προσχώσεων, που ισούνται με το σύνολο των τροφοδοσιών (και των απωλειών, υποθέτοντας ότι δεν μεταβάλλονται τα μόνιμα αποθέματα). • Αν υπολογίσουμε τις υπόλοιπες τροφοδοσίες, μπορούμε να βρούμε την τροφοδοσία μέσω κατείσδυσης, δηλαδή τον όγκο νερού που χρειάζεται να γνωρίζουμε για να υπολογιστεί ο συντελεστής κατείσδυσης. • Οι τροφοδοσίες στις προσχώσεις προέρχονται: • από τη βροχόπτωση μέσω της κατείσδυσης (Τκατ) • από το ποτάμι (Τκατ), διότι Q1+Q2+Q3>Q4. • Άρα: • Υπολογίζουμε το Τποτ από τη διαφορά Q1+Q2+Q3-Q4, μετατρέποντάς τη σε ετήσια ποσότητα (m3/h x 24h/d x 365d/y).

13. 5. Πιεζομετρία των προσχώσεων • Οι πιεζομετρικές γραμμές κάθετα στο όριο προσχώσεων-φλύσχη (δεν υπάρχει επικοινωνία) • Οι γραμμές ροής αποκλίνουν από το ποτάμι (το ποτάμι τροφοδοτεί τις προσχώσεις)

14. 6. Υδραυλικό φορτίο στη θέση της γεώτρησης • Το υδραυλικό φορτίο στη θέση της γεώτρησης είναι η ενέργεια ανά μονάδα βάρους του νερού. • Είναι το άθροισμα του φορτίου λόγω θέσης (z) και του φορτίου λόγω πίεσης (hP). • Το συνολικό υδραυλικό φορτίο δίνεται από το υψόμετρο της στάθμης ηρεμίας της γεώτρησης.

15. 7. Έλεγχος αξιοπιστίας της χημικής ανάλυσης • Ο έλεγχος αξιοπιστίας της χημικής ανάλυσης γίνεται με τον υπολογισμό της ηλεκτρικής ουδετερότητας ΕΝ: • Μετατρέπουμε τις συγκεντρώσεις των ιόντων σε χιλιοστοϊσοδύναμα ανά λίτρο (meq/l), διαιρώντας όλες τις συγκεντρώσεις με το αντίστοιχο ισοδύναμο βάρος. • Εισάγουμε τις συγκεντρώσεις στον τύπο της ηλεκτροουδετερότητας μαζί με το πρόσημο που δείχνει το σθένος των ιόντων (+ για τα κατιόντα, - για τα ανιόντα). • Στην πραγματικότητα το άθροισμα του αριθμητή γίνεται διαφορά και η διαφορά στον παρονομαστή γίνεται άθροισμα. • Το αποτέλεσμα θα είναι κάποιο μικρό νούμερο % (π.χ. +2,5% ή -3%). • Αν η απόλυτη τιμή της ΕΝ είναι μεγαλύτερη από 2 ως 5%, τότε η χημική ανάλυση δεν είναι αξιόπιστη.

16. 8. Καθορισμός του τύπου του νερού – διάγραμμα Piper • Μετατρέπουμε τις συγκεντρώσεις των ιόντων σε χιλιοστοϊσοδύναμα ανά λίτρο (χρειάστηκε ήδη να γίνει στο προηγούμενο ερώτημα). • Για κάθε κατηγορία ιόντων (κατιόντα και ανιόντα ξεχωριστά): • Μετατρέπουμε τις συγκεντρώσεις από meq/l σε ποσοστό επί του συνόλου (διαιρώντας τη συγκέντρωση του κάθε ιόντος με το σύνολο των συγκεντρώσεων των κατιόντων ή των ανιόντων αντίστοιχα και εκφράζοντας το αποτέλεσμα επί τοις 100). • Παίρνουμε τα αποτελέσματα • Για τα κατιόντα: Ca, Mg και Na+K • Για τα ανιόντα: HCO3, Cl, SO4. • Προβάλλουμε τα αποτελέσματα στα τριγωνικά διαγράμματα (τα κατιόντα στο αριστερό τμήμα, τα ανιόντα στο δεξιό. • Φέρνουμε για κάθε ιόν, την παράλληλη στην πλευρά απέναντι από την κορυφή που εκφράζει το 100% της συγκέντρωσης για αυτό το ιόν, ανάλογα με τη συγκέντρωση που έχουμε. • Οι τρεις γραμμές τέμνονται σε ένα μοναδικό σημείο, το οποίο βρίσκεται σε ένα από τα τέσσερα πεδία που χωρίζεται το διάγραμμα από τις γραμμές του 50% κάθε ιόντος. • Χαρακτηρίζουμε το νερό ανάλογα με το πεδίο στα κατιόντα και στα ανιόντα.

17. 8. Καθορισμός του τύπου του νερού – διάγραμμα Piper 100%Mg 100%SO4 100%Cl 100%Ca 100%HCO3+CO2 100%Na+K

18. 8. Καθορισμός του τύπου του νερού – διάγραμμα Piper • Στη συνέχεια από κάθε τριγωνικό διάγραμμα φέρνουμε από το σημείο προβολής του δείγματος, παράλληλη προς την αντίστοιχη άνω εξωτερική πλευρά του ρόμβου. • Στο σημείο που τέμνονται οι δυο παράλληλες έχουμε το συνοπτικό τύπο του νερού που δίνεται από την περιγραφή κάθε πεδίου του ρόμβου.

19. 9. Προβλήματα ποιότητας • Συγκρίνουμε τα δεδομένα της χημικής ανάλυσης με τα όρια των σταθερότυπων ποιότητας για κάθε κριτήριο. • Cl-: 250mg/l. • H συγκέντρωση που έχουμε είναι μεγαλύτερη (880mg/l), άρα το νερό δεν είναι πόσιμο όσον αφορά το χλώριο. Πιθανό πρόβλημα υφαλμύρινσης.Αν είμαστε κοντά σε θάλασσα, ή ρύπανση από άλλο αίτιο. • SO42-: 250mg/l. • Η συγκέντρωση που έχουμε είναι μεγαλύτερη (282mg/l) από το όριο άρα και πάλι το νερό είναι ακατάλληλο για ανθρώπινη χρήση. Πιθανή υφαλμύρινση ή ρύπανση από άλλο αίτιο. • NO3-: 50mg/l. • Η συγκέντρωση (74.4mg/l) είναι υψηλότερη από το όριο ανθρώπινης κατανάλωσης. Ρύπανση, πιθανώς από χρήση λιπασμάτων σε καλλέργειες. • Επιτρεπόμενη αγωγιμότητα EC: 2500μS/cm. • Η αγωγιμότητα του νερού μας είναι μεγαλύτερη (3640) άρα και με βάση αυτό το κριτήριο το νερό είναι ακατάλληλο για πόσιμο. • Αρκεί ένα μόνο ποιοτικό κριτήριονα είναι εκτός των ορίων για να είναι το νερό ακατάλληλο.