Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."— Előadás másolata:

1 Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 Magyarországon az ívóvízellátás 95 %-a felszín alatti vizekből történik kb kútból termelnek ivóvizet 1,8 millió m 3 vizet fogyasztunk naponta Miért kell vele foglalkoznunk? komoly vízminőségi előírások kutak jelentős része érzékeny a felszínről érkező szennyezésekre

3 Miért kell vele foglalkoznunk? A növényzet vízigényének jelentős részét a gyökérzeten keresztül, a talajból veszi fel Magyarországon a nyári csapadékhiány pótlására a talajvízből is felszivárog a víz a gyökérzónába

4 Miért kell vele foglalkoznunk? A vízfolyások kisvizeinek jelentős része származik felszín alatti vízből Őszi csapadékmentes időszakban a vízi élővilág éltetője

5 FELSZÍN ALATTI VIZEK Felszíni vizek növényzet Merev vázú kőzetekben tárolt vizek hasadékvizekkarsztvizek Porózus kőzetekben tárolt vizek rétegvíz talajvízpartiszűrésű víz talajnedvesség Telített zóna Telítetlen zóna források alaphozam transzspiráció termálvizek Egy kis terminológia …

6 féligáteresztő réteg (lösz, iszap, agyag) lencse vízvezető réteg (kavics, homok) ablak karsztos hegyvidék egy több rétegű felszín alatti áramlási rendszer összetevői

7 utánpótlódás: csapadékból történő beszivárgásmegcsapolás: párolgás vagy vízfolyás 1000 év 100 év 10 év < 1 év Utánpótlódási és megcsapolási helyek között áramlási pályák, ennek megfelelően potenciálviszonyok!!

8 VV csapadék felszíni lefolyás intercepció transzspiráció evaporáció Q in Q out beszivárgás vízkivétel vízfolyással kapcs. Hidrológiai körforgás evapotranszspiráció

9 Hidrológiai körforgás intercepció : csapadék függvényében a növényzet alapján felszíni lefolyás : függ lejtéstől, növényzettől, talajtípustól vízfolyással kapcs. : függ talajtípustól, talajnedevsség tartalomtól, medertől evaporáció : vízkapacitás – hervadáspont hervadáspont vízkapacitás evapotranszspiráció : növényzet, meteorológia, talajvízszint

10 ΔV sm /Δt = A·(B s – B gw + ET gw – Et s ) és (P – E s – L s = B s ) (E s = E gw + E sm ) A: vízgyűjtőterület (L 2 ) Δt: vízmérleg időszaka (T) ΔV sm : a tárolt készlet megváltozás az eredeti talajvízszint felett (L) B s : beszivárgás a felszínen (L/T) B gw : beszivárgás a talajvízbe (L/T) ET sm : párolgás a talajfelszínen (L/T) ET gw : párolgás a talajvízből (L/T) BsBsBsBs ET ET s B gw  V sm ET gw Vízmérleg a telítetlen zónára

11 ΔV gw /Δt = A·(B gw - ET gw ) + Q in - Q out + Q sw-gw – Q gw-sw – Q abs A: vízgyűjtőterület (L 2 ) Δt: a vízmérleg időszaka (T) ΔV gw : a tárolt készlet megváltozása az eredeti talajvízszint alatt (L) B gw : beszivárgás a talajvízbe (L/T) ET gw : párolgás a talajvízből (L/T) Q in : oldalirányú beáramlás (L 3 /T) Q out : oldalirányú kiáramlás (L 3 /T) Q sw-gw : a felszíni vizekből származó szivárgás (L 3 /T) Q gw-sw : a felszíni vizeket tápláló felszín alatti víz (L 3 /T) Q abs : vízkivétel (L 3 /T) B gw ET gw Q pin Q pout Q gw-sw Q sw-gw Q abs ΔV gw Vízmérleg a telített zónára

12 Vízfolyások és talajvíz kapcsolata A vízforgalmat a meder ellenállása és a felszíni és felszín alatti víz nyomásszintje közötti különbség határozza meg (a)Q gw-sw = c * ( h gw – h sw ) (b) Q sw-gw = c * ( h sw – h gw ) (c) Q sw-gw = c * ( h sw – h bed ) c: a meder átszivárgási együtthatója gw: talajvíz, sw: felszíni víz, bed: vízfolyás meder (b) kolmatált réteg terep talajvíz vízfolyás (a) (c)

13 A vízmozgás differenciálegyenlete Induljunk ki a vízmérlegből, de úgy, hogy az elem térfogata V, területe A V·s ·Δh/Δt = Q in - Q out + A·(B gw - ET gw ) + Q sw-gw – Q gw-sw – Q abs s: tározási tényező, az egységnyi nyomásváltozásra jutó tárolt készlet változása (1/L) h: piezometrikus potenciál (L) A jobb oldalon a külső forrásokat és nyelőket vonjuk össze és az egész egyenletet osszuk el a térfogattal: s ·Δh/Δt = (Q pin - Q pout )/V + q q: térfogat egységre eső forrás-nyelő (1/T)

14 Figyelembe véve, hogy a jobb oldal első tagja a belépő és kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, és hogy ennek matematikai azonosságon alapuló kifejtése a vektor divergenciája, valamint, hogy a nyomásváltozás idő szerinti differenciahányadosa helyett a parciális differenciál írható s ·  h/  t = - div (v) + q A vízmozgás differenciálegyenlete

15 A vízmozgás differenciálegyenlete – Darcy-tv. Q = A * k *  h/  l Q: egységnyi idő alatt átáramló vízmennyiség [L 3 /T] k: szivárgási tényező [L/T] A: átáramlási km. [L 2 ]  h: vízoszlop magasság különbség [L]  l: távolság [L] v Darcy

16 Figyelembe véve, hogy a jobb oldal első tagja a belépő és kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, és hogy ennek matematikai azonosságon alapuló kifejtése a vektor divergenciája, valamint, hogy a nyomásváltozás idő szerinti differenciahányadosa helyett a parciális differenciál írható s ·  h/  t = - div (v) + q Ha a sebességet a Darcy-törvény szerint számítjuk, azaz v = - K · grad(h), és a forrás csak a h függvénye, akkor : s ·  h/  t = K · div [ grad (h)] + q = K ·  2 h + q(h) --- Bussinesq-egyenlet A vízmozgás differenciálegyenlete

17 Talajvízháztartási jelleggörbe - adott növényzetre - adott talajszelvényre - adott meteorológiai viszonyokra BterepETterep EVFterep H m ax Ho Bo Egyszerűsített jelleggörbe ( B gw – ET gw ) átl = f(h átl )

18 a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: B fsz = P – E s – L s ET fsz = ETP - E s B tv ET tv 500 mm/év B fsz ETfsz -800 mm/év 2 m 4 m 6m Tározódás és közvetlen párolgás a talajnedvességből Csökkenés a kapilláris vízemelésben Nagy párolgási többlet, A talajvíz időnként a felszínre emelkedik megcsapolás

19 B fsz ETfsz B tv ET tv 500 mm/év -800 mm/év 2 m 4 m 6m a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: B fsz = P – E s – L s ET fsz = ETP - E s Párolgási többlet megcsapolás

20 B fsz ETfsz B tv ET tv 500 mm/év -800 mm/év 2 m 4 m 6m a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: B fsz = P – E s – L s ET fsz = ETP - E s Egyensúlyi állapot Kapilláris vízemelés

21 B fsz ETfsz B tv ET tv Bo 500 mm/év -800 mm/év 2 m 4 m 6m a talajvízháztartási jelleggörbe Sokévi átlag: B fsz = P – E s – L s ET fsz = ETP - E s Beszivárgási többlet utánpótlódás Kapilláris vízemelés Talajvízmélységtől független tározódás

22 Modellezés ADATGYŰJTÉS KONCEPCIONÁLISMODELL SZOFTVERVÁLASZTÁS VERIFIKÁCIÓ KALIBRÁCIÓ VALIDÁCIÓ SZIMULÁCIÓ PARAMÉTER-BECSLÉS ELŐZETES SZÁMÍTÁSOK előkészítő fázis kidolgozási fázis értékelési fázis ÉRTÉKELÉS

23 MODFLOW Amerikai Geológiai Szolgálat (USGS) telített zóna 3D permanens/nem permanens állapot véges differenciák módszere

24 térben és időben szakaszolás számítás egysége: MODFLOW

25 vízmérleg megváltozása  t*  Q i h vízszintváltozás adott elemben  t*  Q i = (h 0 (t+  t)- h 0 (t))*S*  x*  y Darcy-tv: cellák közötti átáramlás  x*K x *h x *  h/  y MODFLOW

26 Modell felépítése – kiindulási adatok Geometriai lehatárolás –kiterjedés, cella méret, rétegek száma Idő –permanens, nem permanens (időlépcső) Fizikai paraméterek –szivárgási tényező, effektív porozitás, Kiindulási vízszintek Peremfeltételek

27 Paraméterbecslés Mért értékek ↔ modellel számolt értékek Alaphozam Paraméterek Peremfeltételek Forrás-nyelő tagok Megfelelő kalibráció  modell alkalmazása, szimulációk

28 Kút csomag – vízkivétel/betáplálás Szivárgó csomag (drén) – Q=c*  h Folyó csomag Maradó beszivárgás csomag Párolgási csomag MODFLOW csomagok

29 áramvonal követő program: áramvonal kirajzolása elérési idő forrás/nyelő tagok hatóterülete sebességmező potenciálkép … PMPATH

30 Duna egyik szakasza 14*14 km 2 réteg: –1: közepes vízvezető – homokos vályog (1 m/d) –2: jó vízvezető – homokos kavics (15 m/d) partiszűrésű kutak vízfolyás beszivárgás-párolgás Minta modell

31 Minta modell – potenciálkép

32 Minta modell – sebességmező

33 Minta modell – áramkép

34 Felszín alatti vízmozgás modellezése WetSpass – Arcview interface bemenő adatok (grid) domborzat - lejtés talajtípus területhasználat csapadék hőmérséklet szélsebesség potenciális evapotranszspiráció talajvízmélység

35 Felszín alatti vízmozgás modellezése WetSpass – Arcview interface MODFLOW

36 Vízmozgás differenciál egyenletének analitikus megoldása víztartó vastagsága nem változik a térben, „m” értéke állandó FEKÜ vízszintes rétegszivárgási jellemző homogén, állandó „k” Dupuit-feltételezés: adott függélyben függőleges mentén a potenciál azonos, v z =0; sávszerű áramlás beszivárgás konstans permanens állapot, peremfeltételek időben állandóak fedőrétegben csak vertikális áramlás Cél: adott x-ben h(x) meghatározása ismert adatok alapján

37 Vízmozgás – analitikus megoldás 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q L = Q 0 + q*L x-nél: Q x = Q 0 + q*x = v x * h x Q0Q0 Q0Q0 átáramlási km.

38 Vízmozgás – analitikus megoldás 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q L = Q 0 + q*L x-nél: Q x = Q 0 + q*x = v x * h x Q0Q0 Q0Q0 2. lépés: sebesség figyelembe vétele (Darcy) v x = k * I x I x = - dh/dx, ha q > 0 átáramlási km.

39 Vízmozgás – analitikus megoldás 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q L = Q 0 + q*L x-nél: Q x = Q 0 + q*x = v x * h x Q0Q0 Q0Q0 2. lépés: sebesség figyelembe vétele (Darcy) v x = k * I x I x = - dh/dx, ha q > 0 3. lépés: két lépés összevonása Q x -re Q 0 + q*x = v x * h x = - k * h x * dh/dx átáramlási km.

40 Vízmozgás – analitikus megoldás 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q L = Q 0 + q*L x-nél: Q x = Q 0 + q*x = v x * h x Q0Q0 Q0Q0 2. lépés: sebesség figyelembe vétele (Darcy) v x = k * I x I x = - dh/dx, ha q > 0 3. lépés: két lépés összevonása Q x -re Q 0 + q*x = v x * h x = - k * h x * dh/dx átáramlási km. 4. lépés: megoldás a peremfeltételek fv-ben

41 Átáramlási keresztmetszet Q0Q0 Q0Q0 Nyomás alatti rendszer: h x állandó = m (vízszint végig a fedőben) Q 0 + q*x = v x * h x = - k * m * dh/dx Szabadfelszínű rendszer: h x változik Q 0 + q*x = v x * h x = - k * h x * dh/dx

42 Peremfeltételek 1: Q 0, h 0 2: h 0, h L 3: h 0 ; h fsz ; c

43 Körszimmetrikus áramlás 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q KIV = Q 0 + q * R 2 *  x-nél: Q x = Q 0 + q * (R 2 -x 2 ) *  = v x * h x * 2 * x * 

44 Körszimmetrikus áramlás 2. lépés: sebességre figyelembe vétele (Darcy) v x = k * I x I x = dh/dx 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q KIV = Q 0 + q * R 2 *  x-nél: Q x = Q 0 + q * (R 2 -x 2 ) *  = v x * h x * 2 * x * 

45 Körszimmetrikus áramlás 2. lépés: sebességre figyelembe vétele (Darcy) v x = k * I x I x = dh/dx 3. lépés: két lépés összevonása Q x -re Q 0 + q * (R 2 -x 2 ) *  = v x * h x = k * h x * 2 * x *  * dh/dx 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q KIV = Q 0 + q * R 2 *  x-nél: Q x = Q 0 + q * (R 2 -x 2 ) *  = v x * h x * 2 * x * 

46 Körszimmetrikus áramlás 2. lépés: sebességre figyelembe vétele (Darcy) v x = k * I x I x = dh/dx 4. lépés: megoldás a peremfeltételek fv-ben 1.lépés: vízmérlegre vonatkozó információk bal oldalon: Q 0 jobb oldalon: Q KIV = Q 0 + q * R 2 *  x-nél: Q x = Q 0 + q * (R 2 -x 2 ) *  = v x * h x * 2 * x *  3. lépés: két lépés összevonása Q x -re Q 0 + q * (R 2 -x 2 ) *  = v x * h x = k * h x * 2 * x *  * dh/dx

47 Védpidom fogalma még bekerülhet


Letölteni ppt "Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."

Hasonló előadás


Google Hirdetések