HIDRAULIKA PODZEMNIH VODA U STIJENAMA PUKOTINSKE POROZNOSTI

1. HIDRAULIKA PODZEMNIH VODA U STIJENAMA PUKOTINSKE POROZNOSTI • stijene pukotinske poroznosti • krš (Dinarski Krš) Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

2. Zemljovid krškog područja u Hrvatskoj Krš je naziv za skup morfoloških, hidroloških i hidrogeoloških značajki terena pretežno izgrađenih od karbonatnih stijena; vapnenca i dolomita Krški tereni zauzimaju oko 46% površine Hrvatske Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

3. Provodnici • pore • pukotine • kaverne Mreža pukotina sa glavnim pravcima kretanja podzemne vode Voda obogaćena ugljičnim dioksidom daje ugljičnu kiselinu koja otapa vapnenac. Kemijska reakcija je reverzibilna i gubljenjem ugljičnog dioksida iz Ca(HCO3)2 taloži se sedra. Da bi voda mogla teći kroz stijensku masu i otapati ga potrebna je početna tektonska tektonska razlomljenost stijene. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

4. Dva pristupa: • hidrološki pristup • (mjerenje i obrada hidroloških • parametara npr. oborina.... ) • hidraulički pristup • (modeliranje toka • u pukotinama i kanalima) Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

5. Otjecanjekolektorima je 100 pa ivišeputabržeodoticanjaslojnimpukotinama. Krupni provodnici - kolektori • Špilja – speleološki objekt kojem je prosječni nagib kanala manji od 450 • Jama- speleološki objekt kojem je prosječni nagib kanala veći od 450 Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

6. Krš je vrlo heterogeno područje u kojem se kretanje podzemne vode može sagledati samo na osnovu velikog broja mjerenja razine vode, protoka i brzine, kemijskog sastava i temperature. Hidrološke specifičnosti krša je brza infiltracija palih oborina, mala akumulativna sposobnost u zoni sitne pukotinske poroznosti, te velika provodnost i stvaranje povremenih površinskih i podzemnih akumulacija u zonama krupnih pukotina. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

7. Trasiranje Izlijevanje 30m3 D2 goriva kod Obrova (SLO) kao traser regionalnog toka podzemnih voda T.Vlahović: Posljedice akcidentnog onečišćenja u Istri kao traser regionalnog toka podzemnih voda – Hrvatske vode9(2001)34,1-13 Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

8. Osnovne fizikalne karakteristike krša Pojmovi kao što su ukupna poroznost, efektivna poroznost, koeficijent uskladištenja, … su definirani slično kao i kod stijena međuzrnske poroznosti. Zadržana vodaje dio podzemne vode u kršim porama trajno zadržan uslijed površinske napetosti ili molekularnih sila. Odnos između volumena gravitacione vode i zadržane vode ovisi o veličini pora i minerološkim karakteristikama stijenske mase. Ako su pore manje od 4 do 5 mikrona praktički nema gravitacionog kretanja vode. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

9. Poroznost n – poroznost ( n = 1% - 0.001%) Vp – volumen pora Vuk – ukupni volumen stijene • Poroznost može biti: • primarna – nastala je u stijeni prilikom • njenog postanka • sekundarna – karakterizira čvrste stijene koje • su naknadno bile izložene djelovanju nekih • sila kao i posljedica topljenja stijenske mase. Promjena efektivne poroznosti u vremenu Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

10. Promjena poroznosti sa dubinom U vertikalnom presjeku se poroznost smanjuje po jednadžbi: pri čemu su: a i b parametri koji karakteriziraju sredinu y dubina n poroznost Sa većom dubinom javljaju se krupniji provodnici. Pod kretanjem voda sistemom sitnih, obično slojnih pukotina, podrazumijeva se filtracija i infiltracija voda iz kraškog sliva u provodnik – kolektor koji odvodi i dovodi vodu. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

11. Koeficijent uskladištenja Koeficijent uskladištenja (S) je definiran kao promjena količine tekućine u jediničnom volumenu porozne sredine ako se tlačna visina promjeni za jedinični iznos, a posljedica je kompresibilnosti tekućine i deformacije porozne sredine usljed promjene efektivnih napona: pri čemu je: S – koeficijent uskladištenja b – veličina pukotine ρw – gustoća fluida (vode)  – stlačivost porozne sredine n – poroznost  – stlačivost fluida Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

12. Stlačivost porozne sredine Pri čemu je: Vt – ukupan volumen šupljina  – efektivni napon Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

13. Vodopropusnost Specifična vodopropusnostse izražava preko količine vode koja se kroz karstificiranu stijenu gubi na intervalu od jednog dužnog metra bušotine pod tlakom od 0,1 atmosfere. Ova veličina je definirana jednadžbom pri čemu je: q specifična vodopropusnost Q količina vode koja se iz ispitivanog intervala bušotine gubi kroz poroznu sredinu u l/min h dužina ispitivanog intervala u m P tlak pod kojim se voda utiskuje (at) Lugeonova jedinica se izražava preko količine vode koju prima stijenska masa na jedn om dužnom metru bušotine pod tlakom od 10 atmosfera u vremenskom intervalu od 1 minute Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

14. Specifična vodopropusnost Kategorija 1 <0.001 Vodonepropusne stijene 2 0.001 - 0.01 Slabo propusne 3 0.01 - 0.1 Propusne 4 0.1 - 1 Srednje propusne 5 1 - 10 Stijene sa velikom vodopropusnošću 6 10 - 100 Stijene sa vrlo velikom vodopropusnošću 7 100 - 1000 Stijene sa izuzetno velikom vodopropusnošću Zavisnost između Lugeonovih jedinica i specifične vodopropusnosti se može izraziti sa Prema specifičnoj vodopropusnosti stijene se mogu podijeliti u sedam kategorija Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

15. Povečanje propusnosti a) miniranje b) hidrauličko frakturiranje Borelli je izučavao odnos između koeficijenta filtracije (izraženog u m/dan) i propusnosti izražene u Lugeonima te odredio odnos 1 Lu = 0.007 – 0.015 m/dan Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

16. Režim tečenja u sistemima sa sitnim pukotinama Pristup preko sheme kontinuuma pri čemu je v Darcy-eva brzina filtracije k koeficijent filtracije I pad linije energije (identičan padu vodnog lica) Razmak pukotina nepravilan = heterogenost Raspored pukotina različit po smjerovima = anizotropija Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

17. Odnos brzine toka i hidrauličkog gradijenta Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

18. Tok kroz pojedinu pukotinu Tok je opisan Navier-Stokesovom jednadžbom (u slučaju stacionarnog i laminarnog toka) Gradijent tlaka Sila usljed viskoznosti fluida Konvektivno ubrzanje Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

19. Protok između dvije paralelne ploče Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

20. Protok između dvije hrapave ploče(zanemarje se zavojitost strujanja) Zanemaruje se inercijalni član Navier-Stokesove jednadžbe pa slijedi Uvodi se pojam hidrauličke debljine (otvorenosti) pukotine b pa se protok može izraziti kao Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

21. Stepenasta pukotina I dalje se protok kroz sistem pukotina može izražavati preko otvorenosti pukotine Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

22. Sinusoidalne pukotine Postoje izrazi i za zašiljene, trodimenzionalne,.. pukotine) Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

23. Missbachov zakon – Luisove propusnosti pri čemu je K hidraulička vodljivost Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

24. Režim tečenja vode sistemom krupnih provodnika -kolektora U turbulentnom režimu se zakon otpora može prikazati jednadžbom: pri čemu je I pad linije energije proporcionalan kvadratu brzine R hidraulički radijus Φkoeficijent ovisan o karakteristikama mjerne dionice Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

25. Za promatranu dionicu toka duljine ΔL i za tečenje pod tlakom pri čemu je površina proticajnog presjeka konstantna pri svim razinama vode može se pisati pri čemu je sa Ψoznačena konstanta ovisna o karakteristikama krške sredine. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

26. Vodni objekti Pod vodnim objektima u kršu se misli na izvore, estavele i ponore. Pod zonom objekata se podrazumijeva međusobno povezana grupa ponora, estavela ili izvora. Hidraulika velikih provodnika – kolektora se svodi na primjenu zakonitosti kojima je opisano tečenje u otvorenom koritu, u sistemu pod tlakom, istjecanje i druge zakonitosti koje su opisane odgovarajućim hidrauličkim izrazima. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

27. PONORI Đulin ponor Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

28. Ponori Ponori se mogu definirati kao (velike) pukotine u kršu kroz koje voda ulazi (ponire) u podzemlje (stijensku masu - vodonosnik) Ponori mogu biti kontinuirani ili povremeni. Sa morfološkog stanovišta ponori mogu biti - velike pećine, spilje i jame (Đulin ponor,..) - niz malih pukotina (Ponor u Velikoj Paklenici) - aluvijalni ponori Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

29. Presjek kroz ponor Turčić Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

30. Na području sjevernog Velebita izraženo je tečenje u vertikalnim kolektorima do razine podzemne vode. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

31. Primjer konsumpcione krivulje ponora U takvom slučaju se protok kroz ponor može definirat jednadžbom pri čemu je c koeficijent protoka a A površina proticajnog presjeka. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

32. Estavele Estavela Brajkovića jama na Gackoj Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

33. Estavele Princip rada estavele Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

34. Izvori Vidovi pražnjenja krškog sloja na području apsolutnog erozionog bazisa (1) vrulje, (2) povremeni izvor na razini mora i (3) vrelo za visoke vode Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

35. VRULJE Vrulja kod Ike Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

36. Urinj Brane za sprječavanje širenja naftne mrlje Stagnirajuća i karstna voda Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

37. Sifonska vrela (potajnice) Takvo vrelo postoji pokraj Jadrča nedaleko Severina na Kupi na kojem voda izvire tri puta dnevno (A.Bačani) Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

38. Odnos slatke i slane vode u slučaju hidrostatskog zakona Odnos slatke i morske vode (h1/h2) je obično konstantan i kreće se u granicama od 28 do 42 a najčešće u granicama od 36 do 40. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

39. Ghyben - Herzbergov zakon pri čemu je h1 dubina slatke vode ispod razine mora h2 visina slatke vode iznad razine mora fgustoća slatke vode (f1000 kg/m3) sgustoća morske vode (s1025 kg/m3) Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

40. Vrulje – izvor ispod razine morske vode. Primjer vrulja te slatkih i bočatih izvora Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

41. PODJELA MODELA Jedna od podjela modela u kršu je i podjela na: -identifikaciju karakteristika sredine pomoću ćelijskih modela -identifikacija karakteristika sredine pomoću regionalnih modela -identifikacija karakteristika sredine korištenjem statističkog pristupa I čelijski i regionalni modeli imaju svoju punu vrijednost u slučajevima postojanja podataka o raspodjeli ulaza (dotoka vode, infiltracije) po prostoru, i što je najznačajnije za ćelijske modele, razine ili proticaja po prostoru. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

42. Ćelijski modeli Shematski prikaz pukotina Drougue 1980, Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

43. Primjer toka podzemnih voda u kršu za a) sušni period i b) kišni period Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

44. Hidrogrami za dva bliska piezometra u slučaju infiltracije jednakih oborina Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

45. Shema modela dijela slivne površine sa provodnikom – kolektorom Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

46. pri čemu je Q proticaj u provodniku - kolektoru pQa,pQnproticaji pojedinih pukotina ( ovaj p prebacit gore) pHa,pHnvisinski položaj pukotina h vodostaj – razina vode T provodnost (transmisivnost) S aktivni akumulacijski prostor (akumulacijska karakteristika krša) L razmak između pukotina Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

47. Regionalni modeli jednadžba vodospreme : jednadžba kontinuiteta: pri čemu je: V zapremina podzemne vodospreme Q količina vode koja istječe I količina vode koja dotječe t proteklo vrijeme K karakteristika vodospreme zavisna ili nezavisna od vremena i razine vode Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

48. Shema rezervoara sa provodnikom i mjernim mjestom Kraški sliv karakterizira dva tipa akumulacija voda: akumulacije voda u sitnom pukotinskom sistemu i akumulacije voda u velikim podzemnim i površinskim prostorima. Oticanje voda iz ova dva tipa akumulacija odvija se sistemom makro i mikro pukotina. Makro pukotine, u značajnijoj transportnoj funkciji se često nazivaju i provodnici. Vode u kraškim slivovima se skupljaju u sistemima akumulacija, pri čemu često otiču iz jednih akumulacija u druge i na izlaz kroz sistem provodnika. Provodnici su uglavnom podzemni, nevidljivi i nepristupačni. Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

49. Model provodnog sistema u kršu Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

50. a ukupni proticaj je: pri čemu je : B širina provodne zone L razmak između mjernog mjesta i izlaza T provodnost S koeficijent akumulacije Gjetvaj - Hidraulika 2012/13