APA DIN CER AJUNGE IN ADANCURI SI DIN …dinamicii apei în campul gravita ţional terestru (g r) pe un traseu simplificat care porneste din atmosfera, sub forma de precipitatii, şi

Hidraulică subterană examen-2017 Daniel SCRADEANU

1/18

APA DIN CER

AJUNGE IN ADANCURI SI DIN ADANCURI

LA ROBINET

CUPRINS

INTRODUCERE ......................................................................................................................... 2

1. BAZA DE DATE .................................................................................................................. 3

1.1. Datele pentru estimarea resurselor naturale de apă ..................................................... 3

1.2. Datele pentru managementul sistemului lac –baraj ...................................................... 4

1.3. Datele pentru proiectarea distribuţiei apei din lac ......................................................... 5

2. BILANTUL HIDROLOGIC ................................................................................................... 6

2.1. Evapotranspiraţia reală ................................................................................................ 7

2.2. Modulul de infiltrare ...................................................................................................... 8

2.3. Debitul curgerii totale ................................................................................................... 9

2.4. Viteza medie a curgerii totale ....................................................................................... 9

3. PROBLEME ALE LACULUI DE ACUMULARE ..................................................................10

3.1. Presiunea pe baraj ......................................................................................................10

3.2. Timpul necesar umplerii cu apa a lacului de acumulare ..............................................11

3.3. Timpul necesar colmatarii lacului cu sedimente ..........................................................12

4. DISTRIBUTIA APEI PE CONDUCTE .................................................................................14

4.1. Debitele de lichid distribuite în sistemul de conducte ..................................................15

4.2. Debitul solid în suspensie pe conducta spre microhidrocentrală .................................16

CONCLUZII ..............................................................................................................................18

SUCCESE NEBANUITE ! .........................................................................................................18


2/18

INTRODUCEREINTRODUCEREINTRODUCEREINTRODUCERE

Obiectivele temei pentru examenul de HIDRAULICA SUBTERANA vizează evaluarea dinamicii apei în campul gravitaţional terestru ( g

r) pe un traseu simplificat care porneste din

atmosfera, sub forma de precipitatii, şi se încheie la turbina unei microhidrocentrale sau la robinetul de la o staţie de îmbuteliere a apei potabile sau minerale.

Apa din precipitaţii ( P ), la contactul cu suprafata terenului urmeaza două trasee distincte :

• traseul superficial, pe versanţi şi în reţeaua hidrografică (curgerea superficială respectiv curgerea totală)

• traseul subteran, în formatiunile geologice permeabile (curgerea subterană)

Potenţialul energetic utilizat pentru miscarea apei pe ambele trasee este :

g

V

g

pz

⋅+

⋅+=

2

2

ρϕ

Tema vă propune ambianţa a două investiţii care utilizează apa si potenţialul ei energetic:

• lacul de acumulare (Fig.1) pentru care principalii parametri necesari proiectării sunt:

o debitul curgerii totale care asigură sursa de apă pentru lac

o timpul umplerii lacului până la cota proiectată

o diagrama presiunilor pe baraj

o debitul de sedimente antrenat în lac prin alunecare pe substrat solid

o timpul de colmatare a lacului de acumulare

• distribuţia apei din lacul de acumulare printr-un sistem de conducte spre două utilităţi:

o microhidrocentrală pentru care trebuie estimate :

� debitul masic/volumic de apă care ajunge la microhidrocentrală prin conducta de aducţiune

� debitul masic/volumic de sediment transportat în suspensie prin conducta de aducţiune a microhidrocentralei

o alimentare cu apă pentru care trebuie calculate :

� debitul de apă care ajunge la captare prin conducta de aducţiune

� diametrul conductei care asigură debitele pentru cele două utilităţi


3/18

1.1.1.1. BAZA DE DATEBAZA DE DATEBAZA DE DATEBAZA DE DATE

Baza de date pentru realizarea obiectivelor temei este cosntituită din trei grupe de date:

• Datele pentru estimarea resurselor naturale de apă care alimentează lacul de acumulare

• Datele pentru managementul sistemului lac-baraj

• Datele pentru proiectarea distribuţiei apei din lacul de acumulare.

1.1.1.1.1.1.1.1. Datele Datele Datele Datele pentru estimarea resurselpentru estimarea resurselpentru estimarea resurselpentru estimarea resurselor naturalor naturalor naturalor naturaleeee de apăde apăde apăde apă

Datele pentru estimarea resurselor naturale de apă care alimentează lacul de acumulare sunt datele de intrare în ecuaţia bilanţului hidrologic (Tabelul 1.1) al zonei lacului de acumulare. Zona de alimentarea a lacului coincide în mare parte cu cu bazinul de recepţie al râului care este barat pentru realizarea lacului de acumulare.

CATEGORIE DE ESTIMARE DENUMIRE PARAMETRU SIMBOL

Conductivitate hidraulică K

Cota culcuş acvifer în P1 z1



Sarcina piezometrică în P1 H1

Sarcina piezometrică în P2 H2

BILANTUL HIDROLOGIC Sarcina piezometrică în P3 H3

Distanţa dintre P1-P2 L

Distanţa dintre P1-P3 x3

Suprafaţa bazinului hidrografic SBH

Precipitaţii medii P

Temperatura T

Laţimea talvegului b

Grosimea curentului de apă h


4/18

1.2.1.2.1.2.1.2. Datele pentru Datele pentru Datele pentru Datele pentru managementul managementul managementul managementul sistemului sistemului sistemului sistemului laclaclaclac ––––barajbarajbarajbaraj

Datele pentru managementul sistemului lac-baraj permit estimarea timpului de umplere cu apă a lacului de acumulare, evaluarea presiunilor pe baraj, timpul de colmatare a lacului cu sedimente.

CATEGORIE DE ESTIMARE DENUMIRE PARAMETRU SIMBOL

Diametru mediu granule minerale D

Densitate sediment Ro_sed

Acceleraţie gravitaţională g

Limită vestică perimetru Xmin

Limită estică perimetru Xmax

Limită sudică perimetru Ymin

Limită nordică perimetru Ymax

X_Coronament_BARAJ XCB

COTA_Coronament_BARAJ CCB

X_Fundatie_BARAJ XFB

COTA_Fundatie_BARAJ CFB

X minim profil VE X_V

Y minim profil VE Y_V

MANAGEMENTUL X maxim profil VE X_E

SISTEMULUI Y maxim profil VE Y_E

LAC-BARAJ Cota nivel maxim in lac C0

Cota nivel etiaj CNET

Cota talveg la baraj CTB

Limită vestică zonă LAC Xmin_LAC

Limită sudică zonă LAC Y_min_LAC

Limită estică zonă LAC X_max_LAC

Limită nordică zonă LAC Y_max_LAC

Harta topografică a zonei H_TOPO

Densitate apă Ro_apa


5/18

1.3.1.3.1.3.1.3. Datele pentru Datele pentru Datele pentru Datele pentru proiectarea proiectarea proiectarea proiectarea distridistridistridistribuţibuţibuţibuţieieieiei apei din lacapei din lacapei din lacapei din lac

Datele pentru proiectarea distribuţiei prin conducte a apei din lacul de acumulare (Tabelul

1.3.) sunt utilizate pentru evaluarea debitelor de apă, diametrelor conductelor şi a debitului solid transportat în suspensie.

Datele precizează geometria sistemului de conducte (Fig.6), carateristicile conductelor şi ale sedimntelor antrenate în suspensie pe sistemul de conducte.

Tabelul 1.3. Datele pentru calculul distributiei apei prin conducte

CATEGORIE DE ESTIMARE DENUMIRE PARAMETRU SIMBOL UM

Cota la sorbul conductei 1 C1 m

Cota bifircaţiei conductei 1 C123 m

Cota la capătul conductei 2 C2 m

DISTRIBUTIA APEI DIN

LAC PRIN Cota la capătul conductei 3 C3 m

CONDUCTE Proiecţia conductei 1 pe orizontală X0 m

Proiecţia conductei 3.1 pe orizontală X1 m

Proiecţia conductei 2 pe orizontală X1+X2 m

Proiecţia conductei 3.2. pe orizontală X2+X3 m

Diametrul conductei 2 D2 m

Diametrul conductei 3 D3 m

Diametrul granulelor în suspensie Ds m

ATENTIE ! Toate valorile din baza de date sunt exprimate în

sistemul internaţional de unităţi (SI).

Utilizarea formulelor empirice impune restrictii speciale în privinţa unităţilor de măsură utilizate. Respectaţi-le şi reveniţi la sistemul internaţional (SI) numai pentru unităţile de măsură ale

rezultatele obţinute !


6/18

2.2.2.2. BILANTUL HIDROLOGICBILANTUL HIDROLOGICBILANTUL HIDROLOGICBILANTUL HIDROLOGIC

Obiectivul bilanţului hidrologic este evaluarea debitului unui rau (Q -debitul de apă care

curge pe talvegul râului) ce urmează să fie barat pentru realizarea unui lac de acumulare

(Fig.1.).

Curgere superficiala

Curgere subterană

Curgere totala

LAC ACUMULARE

BARAJ


7/18

Ecuaţia bilanţului hidrologic anual, în forma cea mai simplă este:

YwEP ++=

în care

Q - debitul anual al curgerii totale ;

an

m3

P -precipitaţiile medii anuale;

an

m

E -evapotranspiraţia;

an

m

w -modulul de infiltrare atmosferică ;

an

m

BHS

QY = coloana echivalentă a curgerii totale pentru bazinul hidrografic;

an

m

BHS - suprafata bazinului hidrografic [ ]2m

2.1.2.1.2.1.2.1. Evapotranspiraţia realăEvapotranspiraţia realăEvapotranspiraţia realăEvapotranspiraţia reală

Evapotranspiraţia este prima componentă a bilanţului hidrologic care se poate măsura cu ajutorul lizimetrului şi estima cu diverse relaţii empirice. Recomandă utilizarea relaţiei(L.Turc) :

+

=an

mm

L

P

PE

T

ra ;

9,02

2

in care

P -precipitatiile medii anuale

an

mm

205,025300 mmT TTL ⋅+⋅+=

mT - temperatura medie [ ]C0

Evapotranspiraţia este cantitatea de apă care revine în atmosferă datorită evaporării apei care cade pe suprafaţa morfologică sau a lacurilor/ râurilor şi transpiraţiei plantelor. Evaluarea prin relaţia empirică a lui L.Turc poate conduce la erori de estimare de 40-50%.


8/18

2.2.2.2.2.2.2.2. Modulul de infiltrareModulul de infiltrareModulul de infiltrareModulul de infiltrare

Modulul de infiltrare ( w ) poate fi estimat cu ajutorul modelului matematic al curgerii staţioane, neconservative, plan verticale, din acviferele cu nivel liber, omogene si izotrope pe baza cunoaşterii a trei cote ale nivelului piezometric ( 321 ,, HHH ) pe o secţiune paralelă cu

direcţia de curgere (Fig.2).

Pentru calculul modulului de infiltrare ( w ) este necesara şi cunoaşterea conductivităţii hidraulice a terenurilor permeabile ( K ) relaţia de calcul fiind:

( ) ( )

−⋅

−−

−⋅

−⋅=

33

2

3

2

1

3

2

2

2

1

xLx

hh

xLL

hhKw

Profilul piezometric al acviferului poate fi estimate cu relaţia:

( )ii

i xLK

xwx

L

hhhh −⋅

⋅+⋅

−−=

2

2

2

12

1

în care

ih -grosimea acviferului pentru orice secţiune i plasată la distanţa ix de piezometrul P1

Fig.2. Sectiune pentru calculul modulului de infiltrare (w)

1H

1h

1z

3h

3z2z

2h

L

3x

3H

3H

P1 P2 P3


9/18

2.3.2.3.2.3.2.3. Debitul curgerii totale Debitul curgerii totale Debitul curgerii totale Debitul curgerii totale

Debitul curgerii totale, cel care alimenteaza lacul de acumulare, se calculează pe baza ecuaţiei bilanţului hidrologic anual.

( )[ ] BHSwEPQ ⋅+−=

FACULTATIV !!!

La o examinare atentă a condiţiilor morfologice şi geologice în care este amplasat lacul de acumulare se poate sesiza că:

• bazinul hidrografic al râului este constituit parţial din roci impermeabile şi în consecinţă pe suprafaţă respectivă nu se produce infiltrare iar partea din precipitaţii care nu se evaporă se transformă în totalitate în curgere totală ;

• apa infiltrată în subteran realimentează răul pe malul stâng şi creşte debitul curgerii totale

Debitul estimat cu ecuaţia bilanţului hidrologic în forma simplificată conduce la o valoare

subestimată a debitului curgerii totale.

Datele puse la dispoziţie permit studenţilor « riguroşi » să încerce o estimare mai precisă a debitului curgerii totale. Aştept cu interes soluţiile lor !!!

2.4.2.4.2.4.2.4. Viteza medie Viteza medie Viteza medie Viteza medie aaaa curgerii totalecurgerii totalecurgerii totalecurgerii totale

Pentru o secţiune de curgere de forma dreptunghiulară cu o lăţime data (b ) şi o

grosime a curentului de apa măsurată ( h ) se poate estima viteza medie a apei ( apaV ) in

talvegul râului ce va fi barat, cu relaţia :

hb

QVapa

⋅=


10/18

3.3.3.3. PROBLEMEPROBLEMEPROBLEMEPROBLEME ALEALEALEALE LACULUI DE ACUMULARELACULUI DE ACUMULARELACULUI DE ACUMULARELACULUI DE ACUMULARE

Principalele probleme ale lacului de acumulare sunt legate stabilitatea barajului sub presiunea exercitată de apa din lac, durata de umplere cu apă a lacului până la cota maximă proiectată şi durata de colmatare cu sedimente a lacului.

3.1.3.1.3.1.3.1. Presiunea pe barajPresiunea pe barajPresiunea pe barajPresiunea pe baraj

Barajul este solicitat pe ambele părţi de presiunea exercitată de apă (Fig.3):

• în bieful amonte cota apei este cea corespunzatoare nivelului maxim (CO)

• în bieful aval cota apei este cea corespunzătoare nivelului de etiaj (CNET)

Pentru simplificare se consideră suprafaţa barajului plană atât în bieful amonte cât şi în bieful aval (Fig.4)

CO: Nivel maxim apa in lac

CNET: Nivel etiaj

CTB: Cota talveg la baraj

Fig. 3. Calculul presiunilor pe paramentul amonte al barajului


11/18

Trasarea diagramei presiunilor hidrostatice pe baraj se face în ipoteza că greutate volumetrică a apei este aceeaşi atât în bieful amonte cât şi în aval.

3.2.3.2.3.2.3.2. Timpul necesar umplerii cu apa aTimpul necesar umplerii cu apa aTimpul necesar umplerii cu apa aTimpul necesar umplerii cu apa a lacului de acumularelacului de acumularelacului de acumularelacului de acumulare

Estimarea timpului necesar umplerii cu apă a lacului de acumulare până la cota maximă proiectată se bazeză pe:

• Volumul lacului estimat din:

o Modelul digital al terenului pe baza hărţii totpografice a zonei de amplasare a barajului (Fig.1)

o Poziţia barajului (Fig.1):

o Cota maximă a apei in lac (Fig.3)

• Debitul mediu al curgerii totale estimat în paragraful anterior

• Timpul de umplere cu apă a lacului este:

totalacurgeremediuDebitul

lacVolumumplereTimp

___

__ =

CO

CTB

CNET

Fig.4. Schematizarea suprafetei barajului pentru calculul diagramei presiunilor hidrostatice

asupra barajului


12/18

3.3.3.3.3.3.3.3. TTTTimpul necesar impul necesar impul necesar impul necesar colmatariicolmatariicolmatariicolmatarii lacului lacului lacului lacului cucucucu sedimentesedimentesedimentesedimente

Estimarea timpului de umplere cu sedimente a lacului va lua în considerare numai sedimentele antrenate prin alunecare în contact

cu substratul solid (Fig.5) şi presupune următoarea succesiune de calcule:

• Viteza de antrenare a

sedimentelor

o Panta hidraulică medie a raului barat (J)

o Raza hidraulică a talvegului râului barat (Rh)

o Viteza medie de antrenare a sedimentelor ( mediessV _ ):

[ ] [ ]mRmDm

JRD

RV h

hmediess ;;

sec;26

6

1

_

⋅⋅

⋅=

o Viteza minimă de antrenare a sedimentelor ( 0ssV ):

( ) [ ]cmDcm

gDgcm

Vss ;sec

;6,015sec

0

+⋅⋅=

• Debitul de sediment

o Grosimea minimă de apă corespunzătoare vitezei minime ( 0h )

2

3

_

00

⋅=

mediess

ss

V

Vhh

Fig.5. Model conceptual al antrenării prin alunecare

pe substrat solid a sedimentelor.


13/18

o Debitul unitar de fluid pentru viteza minimă ( 0q )

000 ssVhq ⋅=

o Debitul unitar de fluid pentru viteza medie(q)

mediessVhq _⋅=

o Debitul unitar solid masic ( sq )

( ) [ ]mmDqqJD

qs ;7000

02

3

−⋅=

o Debit TOTAL solid MASIC (Qs)

bqQs s ⋅=

o Debit TOTAL solid VOLUMIC (Qv)

sed

sV

bqQ

ρ

⋅=

• Timpul de colmatare cu sediment a lacului

VOLUMICsolidTOTALDebitul

lacVolumcolmatareTimp

___

__ =


14/18

4.4.4.4. DISTRIBUTIA APEI PE CONDUCTEDISTRIBUTIA APEI PE CONDUCTEDISTRIBUTIA APEI PE CONDUCTEDISTRIBUTIA APEI PE CONDUCTE

Distribuţia apei din lacul de acumulare spre cele două utilităţi presupune cunoaşterea geometriei sistemului de conducte (Fig.6), caracteristicile materialului din care sunt construite conductele şi caracteristicile sedimentelor care pot fi transportate în suspensie.

Cele două utilităţi sunt :

• Microhidrocentrala, la capătul conductei 2

• Alimentarea cu apa, la capătul conductei 3 (cu cele două tronsoane: 3.1 şi 3.2)

Managementul apei din lacul de acumulare pentru cele două utilităţi presupune două etape :

• Calculul debitelor de lichid pe conducte (conductele 1, 2 şi 3)

• Calculul debitului solid transportat în suspensie pe conducta de aducţiune către microhidrocentrală (conducta 2)

1

2 3

3H2H

1H

Fig.6. Sistemul de conducte pentru distribuirea apei din lacul de acumulare

C0

X3 X0 X1 X2

C123

C2

C3

C1

3.2

3.1


15/18

4.1.4.1.4.1.4.1. Debitele Debitele Debitele Debitele de lichid de lichid de lichid de lichid distribuitedistribuitedistribuitedistribuite în sistemul de conducteîn sistemul de conducteîn sistemul de conducteîn sistemul de conducte

Calculul debitelor de lichid pe sistemul de conducte ramificate se face pe baza celor două principii fundamentale ale hidrodinamicii:

• Principiul conservării energiei exprimat de sistemul de ecuaţii :

⋅+⋅=

⋅+⋅=

⋅=

32

3

2

312

1

2

13

22

2

2

212

1

2

12

12

1

2

11

LK

QL

K

QH

LK

QL

K

QH

LK

QH

• Principiul conservării masei exprimat de ecuaţia:

321 QQQ +=

În ecuaţiile sistemului conservării energiei, modulii de debit ( 321 ,, KKK ) sunt în funcţie de diametrul conductelor ( 321 ,, DDD ) cu

un coeficient Manning : 013,0=n (Tabelul 4.1).

Pentru calcul debitelor 321 ,, QQQ şi a diametrului conductei 1 ( 1D ) în

condiţiile respectării principiului conservării energiei se utilizează ecuaţiile sistemului :

⋅−⋅=

⋅−⋅=

⋅=

3

1

2

1

2

1

3

333

2

1

2

1

2

1

2

222

1

111

L

L

K

Q

L

HKQ

L

L

K

Q

L

HKQ

L

HKQ

Tabelul.4.1. K=f(D)

D[mm] K[litri/sec]

50 8.46

75 24.94

100 53.72

125 97.4 150 158.4 175 238.9 200 341.1

225 467

250 618.5 300 1006 350 1517 400 2166 450 2965

500 3927

600 6386 700 9632 750 11580 800 13750

900 18830

1000 24930

1200 40550 1400 61160 1600 87320 1800 119500 2000 158300


16/18

Succesiunea calculelor pentru determinarea debitelor 321 ,, QQQ şi a diametrului 1D este :

• Se calculează debitele 321 ,, QQQ conform sistemului care exprimă conservarea energiei

pentru un diametru 1D oarecare (se recoamdă utilizarea diametrului conductei 2 : 2D

care este cunoscut).

• Se stabileşte prin încercări valoarea modulului de debit care asigură respectarea principiului conservării masei ( 321 QQQ += ) ;

• Se stabileşte corelaţia dintre modulul de debit şi diametrul conductei (Fig.7) :

375,0448,22 KD ⋅=

• Se determină diametrul 1D

corespunzător modulului de debit care asigură respectarea principiului conservării masei pe baza corelaţiei :

375,0448,22 KD ⋅=

4.2.4.2.4.2.4.2. Debitul solidDebitul solidDebitul solidDebitul solid în suspensieîn suspensieîn suspensieîn suspensie pe conducta spre microhidrocentralăpe conducta spre microhidrocentralăpe conducta spre microhidrocentralăpe conducta spre microhidrocentrală

Desprinderea unei particule solide de pe substrat se face atunci când forţa portantă ( yF )

este mai mare decât forţa masică ( GF ; Fig.6.12):

Gy FF >

Fig.7. Corelaţia dintre modulul de debit şi diametrul conductelor cu 013,0=n

Fig.6.12. Deplasarea in regim hidrodinamic a unei sfere in suspensie, intr-o conductă


17/18

Evaluarea debitului solid în suspensie pe conducta 2, spre microhidrocentrală, presupune următoarea succesiune de calcule:

• evaluarea vitezei de antrenare în suspensie a sedimentelor o calculul pantei hidraulice a conductei

L

CCJ

infsup−=

o calculul razei hidraulice a conductei de aducţiune

4

dRh =

o calculul vitezei medii de antrenare a particulelor:

JRRn

V hh ⋅⋅⋅= 6

11

• evaluarea debitului în suspensie o calculul debitului total al suspensiei

curgereSectiuneVQsuspensie _⋅=

o calculul vitezei de sedimentare în regim hidrostatic

−⋅

⋅

⋅= 1

18

2

apa

sSsed

DgV

ρ

ρ

ν

o calculul procentului de sediment în suspensie ([cm] şi [sec] in formulă şi rezultă p în [%])

4

5

2

4lg

3

1

⋅

⋅⋅⋅−=

h

S

S

hS

sed R

D

D

RDg

V

Vp

o calculul debitului masic solid în suspensie

ssuspensiesolidMASIC

pQQ ρ⋅⋅=

100_

o calculul debitului volumic lichid al suspensiei

−⋅=

1001_

pQQ suspensielichidVOL


18/18

CONCLUZIICONCLUZIICONCLUZIICONCLUZII

Concluziile trebuie să fie un comentariu al rezultatelor obţinute, rezultate care să fundamenteze o evaluare a eficienţei economice a celor două obiective:

� realizarea lacului de acumulare

� distribuţia apei din lac pentru

• microhidrocentrală

• alimentarea cu apă

FACULTATIV!!!

Viitorii manageri sunt invitaţi să:

• identifice factorii care determină creşterea profitului adus de:

o lacul de acumulare

o distribuţia apei din lac pentru

� microhidrocentrală

� alimentare cu apă

• stabilească o listă a costurilor ce trebuie cunoscute pentru o evaluarea corectă a profitului adus de :

o lacul de acumulare

o distribuţia apei din lac pentru

� microhidrocentrală

� alimentare cu apă

SUCCESE NEBANUITESUCCESE NEBANUITESUCCESE NEBANUITESUCCESE NEBANUITE !!!!

Documents

APA DIN CER AJUNGE IN ADANCURI SI DIN …dinamicii apei în campul gravita ţional terestru (g r) pe un traseu simplificat care porneste din atmosfera, sub forma de precipitatii, şi