Υδρολογία γεωργικών εδαφών - Στραγγίσεις

Υδρολογία γεωργικών εδαφών - Στραγγίσεις

Σελίδες: 896

 
Το νερό της γης, ανεξάρτητα αν παρουσιάζεται με μορφή υδρατμών στην ατμόσφαιρα ή με την υγρή μορφή του στο έδαφος, στο υπέδαφος και στις υδάτινες μάζες που καλύπτουν τα τρία τέταρτα περίπου της επιφάνειας του πλανήτη, βρίσκεται σε μία συνεχή κίνηση και υφίσταται μία συνεχή μετάπτωση από την υγρή στην αέρια φάση του και αντίστροφα. Η αέναη μετακίνησή του από την ατμόσφαιρα τις στερεές και υδάτινες γήινες μάζες υπό τη μορφή υετού (βροχή, χιόνι, χαλάζι, δρόσος) και η επιστροφή του στην ατμόσφαιρα υπό τη μορφή υδρατμών ορίζεται ως υδρολογικός κύκλος. Είναι ένα γιγάντιο σύστημα χωρίς αρχή και τέλος που λειτουργεί πάνω και μέσα στη στερεή και υδάτινη φάση της γης καθώς και στην ατμόσφαιρά της. Διέπεται από την αρχή της διατήρησης της μάζας με την έννοια ότι αποτελεί ένα κλειστό σύστημα που μέσα του δεν δημιουργείται ή καταστρέφεται ούτε μία σταγόνα νερού. Οι ανάγκες του όλου συστήματος σε ενέργεια καλύπτονται, κυρίως, από την ηλιακή ακτινοβολία.
Με τον όρο εξάτμιση εννοούμε την μετάπτωση του νερού από την υγρή στην αέριο φάση του και την μετέπειτα μετακίνησή του από τις υγρές επιφάνειες της γης, των ωκεανών και της ξηράς, προς την υπερκείμενη ατμόσφαιρα υπό τη μορφή υδρατμών. Η μετάπτωση αυτή συνοδεύεται από απορρόφηση ενέργειας (λανθάνουσα θερμότητα) εκ μέρους των υδάτινων μορίων που παρέχεται από την ηλιακή ακτινοβολία, η ένταση της οποίας αποκτά τη μέγιστη τιμή της στις περιοχές της γης γύρω από τον ισημερινό και μειώνεται με την αύξηση του γεωγραφικού πλάτους. Τα μόρια του νερού που εγκαταλείπουν την υδάτινη επιφάνεια απομακρύνονται με τη βοήθεια του ανέμου με αποτέλεσμα να διατηρείται κοντά στην επιφάνεια αυτή μια αρνητική κλίση συγκέντρωσης υδρατμών που επιτρέπει τη συνέχιση του φαινομένου της εξάτμισης, αν υπάρχει διαθέσιμο νερό. Στη συνέχεια οι παραγόμενοι υδρατμοί από τους ωκεανούς και την ξηρά κινούνται ανοδικά με τη βοήθεια των ανέμων και ενσωματώνονται στην ατμόσφαιρα όπου και πάλι με τη βοήθειά τους οι υδρατμοί αμφότερης προέλευσης αναμιγνύονται τείνοντας να κατανεμηθούν ομοιόμορφα πάνω από ολόκληρη την επιφάνεια της γης, με αποτέλεσμα να παρατηρείται μια καθαρή μεταφορά υδρατμών ωκεάνιας προέλευσης προς τις περιοχές της ατμόσφαιρας που υπέρκεινται της ξηράς. Συνεχίζοντας την ανοδική πορεία τους μέσα στην ατμόσφαιρα οι υδρατμοί συμπυκνώνονται και υπό τη μορφή υετού επιστρέφουν στις γήινες επιφάνειες. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ένα μέρος μόνο του νερού που απομακρύνθηκε αρχικά από τους ωκεανούς υπό μορφή υδρατμών επιστρέφει σ’ αυτούς υπό τη μορφή υετού με το υπόλοιπο να ενσωματώνεται στον υετό της ξηράς.
(Από τον πρόλογο του βιβλίου)
 
Περιεχόμενα
Εισαγωγή
1. Η αναγκαιότητα της στράγγισης
2. Τα αίτια του προβλήματος
3. Ιστορική αναδρομή
Βιβλιογραφία
1. Γενικά χαρακτηριστικά των εδαφών
1.1. Συσχετίσεις εδαφικών φάσεων
1.1.1. Φαινομενική πυκνότητα εδάφους, ρ0(gr/cm3)
1.1.2. Φαινομενική πυκνότητα στερεών, ρφ (gr/cm3)
1.1.3. Πραγματική πυκνότητα στερεών, ρσ (gr/cm3)
1.1.4. Πορώδες του εδάφους,
1.1.5. Περιεκτικότητα του εδάφους σε νερό
1.2. Η σύσταση της στερεής φάσης των εδαφών (υφή των εδαφών).
1.2.1. Η μηχανική ανάλυση
1.2.2. Η καμπύλη κοκκομετρίας
1.3. Τα χαρακτηριστικά των αργίλων
1.3.1. Η δομή των αργίλων
1.3.2. Η κατάταξη των αργίλων
1.3.3. Οι σχέσεις της αργίλου με το νερό
1.4. Συλλογικές ιδιότητες της εδαφικής μάζας
1.4.1. Η συνένωση των πρωτογενών τεμαχιδίων του εδάφους
1.4.2. Η συνεκτικότητα του εδάφους (Soil consistency)
1.4.3. Η εναλλακτική ικανότητα κατιόντων
1.5. Το πορώδες και οι ιδιότητες του
1.5.1. Μηχανισμοί συγκράτησης του εδαφικού νερού
1.5.2. Χαρακτηριστική καμπύλη υγρασίας
Η υστέρηση της χαρακτηριστικής καμπύλης
Μέθοδοι προσδιορισμού της χαρακτηριστικής καμπύλης
1.5.3. Η υδραυλική αγωγιμότητα
1.5.4. Η ειδική απόδοση των εδαφών
Βιβλιογραφία
2. Η κίνηση του εδαφικού νερού
2.1. Το δυναμικό του εδαφικού νερού
2.2. Ο νόμος του Darcy - Υδραυλική αγωγιμότητα
2.3. Γενικές εξισώσεις ροής
2.4. Συναρτήσεις του πλέγματος ροής
2.5. Όρια της περιοχής ροής και οριακές συνθήκες
α. Επιφάνεια (στάθμη) του ελεύθερου εδαφικού νερού
β. Επιφάνειες εισόδου και εξόδου νερού
γ. Επιφάνεια διαρροής εδαφικού νερού
δ. Αδιαπέρατη διαχωριστική επιφάνεια
ε. Επίπεδα η γραμμές συμμετρίας
στ. Συνθήκες στη διαχωριστική επιφάνεια δύο εδαφικών στρώσεων.
2.6. Λύσεις προβλημάτων στράγγισης
Βιβλιογραφία
3. Αναλυτικές λύσεις
3.1. Θεωρίες στράγγισης σταθερής κατάστασης
3.1.1. Η ανάλυση των Dupuit – Forchheimer (Υπόθεση οριζόντιας ροής)
α. Ροή δια μέσου φράγματος ορθογωνικής διατομής
β. Απομάκρυνση βροχόπτωσης με παράλληλες αποστραγγιστικές τάφρους
3.1.2. Η ανάλυση του Ηοοghoudt. (Υπόθεση ακτινικήςροής)
3.1.3. Η εξίσωση του Ernst
3.1.4. Η ανάλυση του Kirkham
3.1.5. Άλλες αναλύσεις και εξισώσεις
3.1.6. Οι ανισότητες του Youngs
3.1.7. Σύγκριση και αξιολόγηση των εξισώσεων σταθερής κατάστασης
3.1.8. Εφαρμογές των εξισώσεων σταθερής κατάστασης
3.1.8.1. Πλέγμα ροής σε ομοιογενείς εδαφικές περιοχές
3.1.8.2. Πλέγμα ροής σε ανομοιογενείς εδαφικές περιοχές
α) Οι στραγγιστικοί σωλήνες τοποθετημένοι στην άνω στρώση
β) Οι στραγγιστικοί σωλήνες τοποθετημένοι πάνω στη διαχωριστική επιφάνεια.
3.1.9. Αγωγοί ανάσχεσης ξένου νερού
3.1.10. Yπάρδευση
3.2. Το πρόβλημα της στράγγισης κάτω από ασταθείς συνθήκες ροής
3.2.1 Η εξίσωση του Boussinesq
3.2.2. Το πρόβλημα στράγγισης του Boussinesq (D=0)
3.2.3. Η εξίσωση του Glover (D >0)
3.2.4. Οι εξισώσεις του van Schilfgaarde
3.2.5. H εξίσωση του Kirkham
3.2.6. Εφαρμογή των εξισώσεων ασταθούς κατάστασης
3.2.7. Υπάρδευση
3.3. Σύγκριση εξισώσεων σταθερής και ασταθούς κατάστασης.
Βιβλιογραφία
4. Λύσεις Προσομοιώσεων
4.1. Μαθηματικές προσομοιώσεις
4.1.1. Μέθοδος
των πεπερασμένων διαφορών
(α) Προσεγγίσεις των εξισώσεων ροής
(β) Υπολογιστικά σχήματα προσέγγισης
(γ) Εφαρμογές της μεθόδου σε εξισώσεις ασταθούς κορεσμένης ροής
(δ) Εξισώσεις μονοδιάστατης ακόρεστης ροής
(ε) Εξίσωση δισδιάστατης ροής σε μερικώς κορεσμένα και ακόρεστα μέσα
4.1.2. Μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων
(α) Βασικές έννοιες παραλλακτικότητας
(β) Εφαρμογή της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων
4.1.3. Προγράμματα υπολογιστών
Προγράμματα περιορισμένου αντικειμένου (β)
Σύνθετα προγράμματα Drainmod Modflow
4 SWAP
4.2. Προσομοιώσεις υδραυλικές και αναλογικές
4.2.1. Υδραυλικά ομοιώματα
(α) Πορώδη ομοιώματα
(β) Το ομοίωμα της ιξώδους ροής (Hele-Shaw analog)
4.2.2. Ηλεκτρικά αναλογικά ομοιώματα
(α) Ηλεκτρικά ομοιώματα αγώγιμων φύλλων
(β) Ομοίωμα ηλεκτρολυτικής λεκάνης
(γ) Ηλεκτρικά ομοιώματα πλέγματος αντιστάσεων και αντιστάσεων - πυκνωτών
Βιβλιογραφία
5. Υδραυλικές Ιδιότητες
5.1. Ο προσδιορισμός των τιμών των Kw ,Κs
5.1.1. Μέθοδοι εργαστηρίου (α)
Περατόμετρα σταθερού φορτίου
(Constant head permeameters)
(β) Περατόμετρα κατερχόμενου (μειούμενου) φορτίου (Falling head
permeameter)
(γ) Περατόμετρα ταλαντευόμενου φορτίου (Oscillating head permeameter)
5.1.2. Μέθοδοι αγρού
Α. Μετρήσεις της Kw σε κορεσμένες στρώσεις κάτω από την επιφάνεια του
ελεύθερου εδαφικού νερού
(α) Η μέθοδος του φρεατίου
(β) Η μέθοδος του ζεύγους φρεατίων
( γ ) Η μέθοδος των τεσσάρων φρεατίων (Four-well technique)
(δ) Η μέθοδος των πολλαπλών φρεατίων
(ε) Η μέθοδος του πιεζομέτρου
Β. Μετρήσεις της Kw σε ακόρεστες εδαφικές στρώσεις υπερκείμενες της επιφάνειας
του ελεύθερου εδαφικού νερού
(α) Μέθοδος φρεατίου με σταθερό φορτίο
(Constant - Head well permeameter Method)
(β) Μέθοδος περατομέτρου εισόδου αέρα στο πορώδες
(Air - Entry Permeameter Method, Bouwer, 1966)
(γ) Η μέθοδος των ομοκέντρων κυλίνδρων διήθησης
(δ) Διηθητόμετρο θετικής πίεσης.(Pressure Infiltrometer)
(ε) Διηθητόμετρο αρνητικής πίεσης (μύζησης)
5.1.3. Πειραματικός αγρός στράγγισης
5.2. Προσδιορισμοί των σχέσεων (H),K( ),K(H)  
5.2.1. Μέθοδος των κατατομών υγρασίας ( σταθερής και ασταθούς κατάστασης)
(α) Μέθοδος στήλης με διάφραγμα πίεσης
Β. Κατατομές υγρασίας στον αγρό
5.3. Μεθοδολογίες υπολογισμού των υδραυλικών ιδιοτήτων
5.3.1. Εξισώσεις υπολογισμ
ού της χαρακτηριστικής καμπύλης
(α) Η εξίσωση των Brooks και Corey (1964)
(β) Η εξίσωση του Campbell (1974)
(γ) Εξισώσεις με δυνάμεις του φορτίου H
(δ) Στατιστική προσέγγιση της χαρακτηριστικής καμπύλης
5.3.2. Εξισώσεις υπολογισ
μού της υδραυλικής αγωγιμότητας
(α) Η εξίσωση Childs & Collis - George (1950)
(β) Η εξίσωση Marshall (1958)
(γ) Η εξίσωση του Jackson
(1972)
(δ) Η εξίσωση του Burdine (1953)
(στ) Η εξίσωση του Mualem
(1976,1978)
(ζ) Δευτερογενείς εξισώσεις υπολογισ
μού της υδραυλικής αγωγιμότητας
Βιβλιογραφία
6. Εισροές - Εκροές νερού στην εδαφική κατατομή
6.1. Το υδατικό ισοζύγιο της εδαφικής κατατομής.
Εισροές στις επιφάνειες του εδάφους και της φυτοκάλυψης
Εισροές - Εκροές στην ακόρεστη ζώνη
Εισροές - Εκροές στην κορεσμένη ζώνη
6.2. Βροχοπτώσεις
6.2.1. Στατιστική επεξεργασία βροχομετρικών παρατηρήσεων
(α) Τα χαρακτηριστικά ενός «δείγματος»
(β) Συναρτήσεις συχνότητας 6
(γ) Θεωρητικές κατανομές πιθανότητας
-
Κανονική κατανομή ή κατανομή των Laplace - Gauss.
-
Λογαριθμοκανονική κατανομή
Παράγοντες συχνότητας
Παραδείγματα
(ε) Όρια εμπιστοσύνης
Παραδείγματα
(στ) Αποκλίνοντα σημεία (outliers)
(ζ) Σχέσεις ύψους - διάρκειας - συχνότητας (Όμβριες Καμπύλες)
(η) Επιφανειακή ολοκλήρωση σημειακών βροχοπτώσεων
6.3. Απορροή
6.3.1. Κατακόρυφη Διήθηση και Απορροή
6.3.2. Εκτίμηση της απορροής
(α) Εκτίμηση της επιφανειακής απορροής με την Ορθολογική (Rational) μέθοδο
(β) Εκτίμηση της επιφανειακής απορροής με τη μέθοδο του Αριθμού Καμπύλης
(Curve Number Method)
(γ) Η μέθοδος του Μοναδιαίου Υδρογραφήματος
6.4. Αρδεύσεις
6.5. Η ανοδική ροή του ελεύθερου εδαφικού νερού
6.6. Εξάτμιση
6.6.1. Μέθοδος υδατικού ισοζυγίου εδαφικής κατατομής
6.6.2. Μέθοδος του ισοζυγίου ενέργειας
6.6.3. Η αεροδυναμική μέθοδος
6.6.4. Η μέθοδος των κατακόρυφων αποκλίσεων (Eddy correlation method)
6.6.5. Μέθοδοι συνδυασμού
6.6.6. Εξισώσεις υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς
(α) Μέθοδος ETo Penman 1963 Original Penman 1963)
(β) Μέθοδος CIMIS - Penman
(γ) Τυποποιημένη μέθοδος ASCE Penman - Monteith (ASCE - PM)
(δ) Εξατμισοδιαπνοή καλλιεργειών c ET.
6.6.7.Εμπειρικές εξισώσεις
(α) Μέθοδος Hargreaves - Samani (1985)
(β) Μέθοδος “Copais”
6.6.8. Πραγματική
εξατμισοδιαπνοή.
Βιβλιογραφία
7. Η αλατότητα του εδάφους.
7.1. Το ισοζύγιο αλάτων της εδαφικής κατατομής
7.2. Η μετακίνηση των αλάτων του εδάφους
7.2.1. Το φαινόμενο της εκτόπισης με ανάμιξη
(α) Ο μηχανισμός της διάχυσης
(β) Ο μηχανισμός της υδροδυναμικής διασποράς
7.2.2. Η μετακίνηση των διαλυμένων ουσιών συνολικά
7.2.3. Η μορφή της καμπύλης εκροής
7.2.4. Προσεγγιστική ανάλυση της εκτόπισης
(α) Εκτόπιση με πλήρη ανάμιξη
(β) Η παρεμβολή του μηχανισμού της εμβολικής ροής
(γ) Η ανταλλαγή ιόντων μεταξύ στερεής φάσης και εξωτερικού διαλύματος
7.3. Τα παθογενή εδάφη και η βελτίωσή τους
7.3.1. Χαρακτηριστικά των παθογενών εδαφών
(α) Αλατούχα εδάφη
(β) Αλατούχα - αλκαλιωμένα
(γ) Μη αλατούχα
αλλά αλκαλιωμένα
7.3.2. Βελτίωση των αλατούχων εδαφών
(α) Ο υπολογισμός των αναγκών έκπλυσης
(β) Προσέγγιση της μετακίνησης των αλάτων σε αρδευόμενο έδαφος.
(γ) Πειραματικά δεδομένα
Βιβλιογραφία
8. Η υδατική οικονομία του φυτού
8.1. Η έλλειψη νερού στο ριζόστρωμα
8.1.1. Η αναγκαιότητα εφαρμογής της άρδευσης
8.1.2. Η ποιότητα νερού άρδευσης
8.2. Η πρόσληψη νερού από πυκνά
διαλύματα αλατούχων εδαφών
8.3. Οι συνθήκες υγρασίας του ριζοστρώματος
και η ρύθμισή τους
8.3.1. Η επιφάνεια του ελεύθερου εδαφικού νερού και η επίδ
ρασή της στην απόδοση των φυτών
8.3.2 To βάθος τοποθέτησης των αγωγών
(α) Το βάθος dD και το βάθος D
(β) Το βάθος dD και η βάση στράγγισης bD
(γ) Το βάθος d D
και η πυκνότητα του δικτύου
(δ) Το βάθος d D και τα ισοζύγια νερού και αλάτων της εδαφικής κατατομής
(ε) Η ρύθμιση του βάθους D  στα διάφορα στάδια ανάπτυξης των φυτών
Βιβλιογραφία
9. Κύριοι Στραγγιστικοί Αγωγοί
9.1. Διάταξη και χαρακτηριστικά των κύριων στραγγιστικών αγωγών (τάφρων)
9.2. H ροή του νερού στους ανοικτούς αγωγούς (τάφρους)
9.2.1. Είδη ροής
9.2.2. Η εξίσωση ενέργειας για σταθερή ροή
9.2.3. Ειδική Ενέργεια – Εναλλακτικά βάθη ροής
9.3. Σταθερή ομοιόμορφη ροή. Εξισώσεις Chézy και Manning
9.3.1. Βέλτιστο σχήμα της διατομής ροής
9.3.2. Η χρήση της εξίσωσης Manning για τον υπολογισμό των υδραυλικών
χαρακτηριστικών των αγωγών
Παράδειγμα υπολογισμού των διαστάσεων της διατομής χωμάτινης τάφρου
9.3.3. Ο Συντελεστής Τραχύτητας n
9.3.4. Η κλίση των πρανών της τάφρου
9.3.5. Mέθοδοι εκτίμησης της σταθερότητας των τάφρων. Μέγιστες επιτρεπόμενες
ταχύτητες ροής.
Μέθοδος της επιτρεπόμενης ταχύτητας ροής
Παραδείγματα υπολογισμού της μέγιστης επιτρεπόμενης ταχύτητα max 
9.4. Συντήρηση κύριων στραγγιστικών αγωγών
Βιβλιογραφία
10. Αγωγοί δεύτερης και τρίτης τάξης
10.1. Δίκτυα απομάκρυνσης επιφανειακού νερού
10.1.1. Χαρακτηριστικά των αγωγών
10.1.2 Διατάξεις των αγωγών
10.2. Σωληνωτοί στραγγιστικοί αγωγοί
10.2.1. Είδη σωληνωτών στραγγιστικών αγωγών
10.2.2. Διατάξεις αγωγών
10.2.3. Η ροή σε σωληνωτούς αγωγούς
(α) Εξισώσεις ροής σε λείους αγωγούς
μεταφοράς υγρών
(β) Εξισώσεις ροής σε αγωγούς με πτυχωτά τοιχώματα
(γ) Συντελεστές τραχύτητας σωλήνων
(δ) Συντελεστές ασφαλείας
10.2.4. Η αποχετευτικότητα των σωληνωτών αγωγών
(α) Η κλίση των στραγγιστικών σωλήνων
(β) Υπολογισμός της διαμέτρου των αγωγών και της αποχετευτικότητάς τους.
Παράδειγμα 10.1
Παράδειγμα 10.2
Παράδειγμα 10.3
10.2.5. Εγκατάσταση σωληνωτών αγωγών
(α) Αρχές χάραξης της διαδρομής του στραγγιστικού σωλήνα
(β) Τοποθέτηση στραγγιστικών σωλήνων 
Μηχανικά μέσα
(γ) Περιβλήματα στραγγιστικών σωλήνων
Περιβλήματα από κοκκώδη υλικά
Ενσωματωμένα περιβλήματα από συνθετικά υλικά
(δ) Βοηθητικά εξαρτήματα και ειδικές κατασκευές
10.2.6. H συντήρηση των σωληνωτών αγωγών
10.3. Υπόγειες διαυλώσεις (Mole drains)
10.3.1. Χαρακτηριστικά των διαυλώσεων
10.3.2. Τεχνικά χαρακτηριστικά του αρότρου
10.3.3. Η εγκατάσταση των αγωγών
(α) Υφή και δομή του εδάφους
(β) Η υγρασιακή κατάσταση του εδάφους
(γ) Βάθος, ισαποχή, μήκος και κλίση των αγωγών
Βιβλιογραφία
11. Η εκπόνηση της μελέτης κατασ
κευής του Στραγγιστικού Δικτύου
11.1. Προκαταρτικό στάδιο
11.1.1. Προκαταρτική διερεύνηση της περιοχής
(β) Η γεωλογία της ευρύτερης περιοχής
(γ) Τα χαρακτηριστικά των εδαφών της περιοχής
11.1.2. Εκπόνηση προκαταρκτικής μελέτης
11.2. Δεύτερο στάδιο (Στάδιο Προμελέτης)
11.2.1. Εργασίες υπαίθρου
(α) Αποτύπωση στρωσιγραφίας των εδαφών
(β) Εγκατάσταση φρεατίων παρατήρησης του ελεύθερου εδαφικού νερού
(γ) Εγκατάσταση δικτύου βροχομέτρων και σταθμών μέτρησης των εκροών του
υδρογραφικού δικτύου της λεκάνης
(δ) Μετρήσεις υδραυλικής αγωγιμότητας και διηθητικότητας
11.2.2. Εκπόνηση Προμελέτης
11.1.3. Τρίτο στάδιο (Εκπόνηση Οριστικής Μελέτης κατασκευής)
Βιβλιογραφία
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ
VDMWESS.FOR
WALCZAK.BAS
HAMMAD.FOR