apa din cer ajunge in adancuri si din adancuri la robinet · p - precipitatiile medii anuale an mm...
Post on 15-Oct-2019
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
1/19
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 ................................................................................................ 8
2.2. Modulul de infiltrare ...................................................................................................... 8
2.3. Debitul curgerii totale ................................................................................................... 9
2.4. Viteza medie a curgerii totale ......................................................................................10
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 ..................................................14
4.2. Debitul solid în suspensie pe conducta spre microhidrocentrală .................................17
CONCLUZII ..............................................................................................................................19
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
2/19
INTRODUCEREINTRODUCEREINTRODUCEREINTRODUCERE
Obiectivele temei pentru examenul de HIDRAULICA SUBTERANA vizează evaluarea
dinamicii apei în campul gravitaţional terestru ( gr
) pe un traseu simplificat care porneste din
atmosfera, sub forma de precipitatii, şi se încheie la turbina unei microhidrocentrale sau la
robinetul din laboratorul de Hidraulica.
Apa din precipitaţii ( P ), la contactul cu suprafata terenului urmeaza două trasee distincte:
• traseul superficial, pe versanţi şi în reţeaua hidrografică;
• traseul subteran, în formatiunile geologice permeabile.
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, pentru a carui proiectare se calculeaza:
o timpul necesar umplerii lacului cu apa până la cota proiectată;
o diagrama presiunilor pe baraj;
o timpul de colmatare a lacului de acumulare cu sedimente.
• distribuţia apei din lacul de acumulare printr-un sistem de conducte spre două utilităţi:
o microhidrocentrală pentru a carei proiectare se calculeaza:
� debitul de apă care circula prin conducta de aducţiune;
� debitul de sedimente transportat în suspensie prin conducta de aducţiune
o alimentare cu apă pentru a carei proiectare se calculeaza:
� debitul de apă care ajunge la captare;
� diametrul conductei care asigură debitele pentru cele două utilităţi.
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
3/19
1.1.1.1. BAZA DE DATEBAZA DE DATEBAZA DE DATEBAZA DE DATE
Baza de date pentru realizarea obiectivelor temei este constituită 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 resurselor naturalpentru estimarea resurselor naturalpentru estimarea resurselor naturalpentru estimarea resurselor 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).
Tabelul 1.1. Datele pentru estimartea resurselor naturale de apa
CATEGORIE DE ESTIMARE DENUMIRE PARAMETRU SIMBOL
Conductivitate hidraulică K
Cota culcuş acvifer în P1 z1
Cota culcuş acvifer în P2 z2
Cota culcuş acvifer în P3 z3
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
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
4/19
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.(Tabelul 1.2)
Tabelul 1.2. Datele pentru managementul sistemului lac-baraj
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
LAC-BARAJ Limită sudică perimetru Ymin
Limită nordică perimetru Ymax
COTA_Coronament_BARAJ CCB
Cota nivel maxim in lac C0
Cota nivel etiaj CNET
Densitate apă Ro_apa
Durata unui an hidrologic AN
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
5/19
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), caracteristicile conductelor şi
ale sedimentelor antrenate în suspensie pe sistemul de conducte.
Tabelul 1.3. Datele pentru calculul distributiei apei si sedimentelor 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 !
Cu exceptia precipitatiilor, 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 rezultatelor obţinute !
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
6/19
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.).
Ecuaţia bilanţului hidrologic anual, în forma cea mai simplă (se neglijeaza stocarile si
transferurile antropice), 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
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
7/19
Fig.1. Harta topografica a zonei unde se realizeaza lacul de acumulare
(echidistanta curbelor de nivel e=10 m)
Xmin; Ymin
Xmax; Ymax
220
230
250
260
260
280
240
230
210
200
190
Falie care separa formatiunile permeabile de cele impermeabile
Linia de cumpana a apelor de suprafata
Pozitia preliminara a barajului
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
8/19
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. Recomandăm pentru tema 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%.
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:
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
9/19
( ) ( )
−⋅
−−
−⋅
−⋅=
33
2
3
2
1
3
2
2
2
1
xLx
hh
xLL
hhKw
2.3.2.3.2.3.2.3. Debitul curgerii totale Debitul curgerii totale Debitul curgerii totale Debitul curgerii totale
Debitul mediu al curgerii totale, cel care alimenteaza lacul de acumulare, se calculează
pe baza ecuaţiei bilanţului hidrologic anual.
( )[ ] BHSwEPQ ⋅+−=
P1 P2 P3
3h
3z2z
2h
L
3x
3H
3H
Fig.2. Sectiune pentru calculul modulului de infiltrare (w)
1H1h
1z
3h
2H
3z 2z
2h
3xL
3H
w
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
10/19
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
⋅=
3.3.3.3. PROBLEMEPROBLEMEPROBLEMEPROBLEME ALEALEALEALE LACULUI DE ACUMULARELACULUI DE ACUMULARELACULUI DE ACUMULARELACULUI DE ACUMULARE
Principalele probleme ale lacului de acumulare sunt legate de 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)
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
11/19
Trasarea diagramei presiunilor hidrostatice pe baraj se face în ipoteza că greutatea
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 topografice a zonei de
amplasare a barajului (Fig.1);
o Poziţia barajului (Fig.1);
o Cota maximă a apei in lac (CO; Fig.3).
• Debitul mediu al curgerii totale estimat în paragraful anterior (Q )
• Timpul de umplere cu apă a lacului este:
totalacurgeremediuDebitul
lacVolumumplereTimp
___
__ =
CO
CTB
CNET
Fig.3. Schematizarea barajului pentru calculul diagramei presiunilor hidrostatice
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
12/19
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 )
rauLungime
CotaCotaJ
infsup −=
o Raza hidraulică a talvegului râului barat ( hR )
bh
hbRh
+⋅
⋅=
2
o Viteza medie de antrenare a sedimentelor ( mediessV _ ):
[ ] [ ] [ ]mRmDJJRD
RmV h
hmediess ;;;26
sec
6
1
_ −⋅⋅
⋅=
o Viteza minimă de antrenare a sedimentelor ( 0ssV )
( ) [ ]cmDcm
gDgcm
Vss ;sec
;6,015sec 20
+⋅⋅=
Fig.5. Model conceptual al antrenării prin alunecare
pe substrat solid a sedimentelor.
h b
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
13/19
• Debitul de sediment
o Grosimea minimă de apă corespunzătoare vitezei minime ( 0h )
2
3
_
00
⋅=
mediess
ss
V
Vhh
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 )
( ) [ ] [ ]
⋅
⋅−−⋅=
⋅ m
mq
m
mqJmmDqqJ
Dm
kgqs
sec;
sec;;;
7000
sec
3
0
3
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
___
__ =
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
14/19
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).
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
3.2
3.1
C0
X3 X0 X1 X2
C123
C2
C3
C1
Fig. 6. Sistemul de conducte pentru distribuirea apei din lacul de acumulare
1
2 3
3H2H
1H
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
15/19
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).
Calcul debitelor 321 ,, QQQ şi al diametrului conductei 1 ( 1D )
în condiţiile respectării principiului conservării energiei se bazeaza pe
rezolvarea sistemului de ecuatii:
⋅−⋅=
⋅−⋅=
⋅=
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
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
16/19
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
recomandă 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 ⋅=
Fig.7. Corelaţia dintre modulul de debit şi diametrul conductelor cu 013,0=n
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
17/19
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.8): Gy FF >
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
conductaLungime
CotaCotaJ
infsup −=
o calculul razei hidraulice a conductei de aducţiune ( hR )
4
2DRh =
o calculul vitezei medii de antrenare a particulelor:
[ ] [ ] [ ]−−⋅⋅⋅=
JmRnJRR
n
mV hhh ;;;
1
sec6
1
• evaluarea debitului în suspensie
o calculul debitului total al suspensiei
curgereSectiuneVQsuspensie _⋅=
Fig.8. Deplasarea in regim hidrodinamic a unei sfere in suspensie, intr-o conductă
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
18/19
o calculul vitezei de sedimentare în regim hidrostatic:
νsedsed DV ⋅
=Re Viteza de sedimentare in regim
hydrostatic [cm/sec]
Raza particulei de
sediment rDsed ⋅= 2
1,0Re <
−⋅
⋅
⋅⋅=
1
9
2
sec
2
apa
ssed
rgcmV
ρ
ρ
ν
[ ] 005,0<cmr
3,0Re1,0 << 3
2
3
1
3
2
1
5
2
sec
−⋅
⋅
⋅⋅=
apa
ssed
grcmV
ρ
ρ
ν
[ ] 03,0005,0 << cmr
400Re30 << ( )
56,0
11,0
56,03
2
118,2
2
sec
−⋅
⋅
⋅⋅=
apa
ssed
grcmV
ρ
ρ
ν
[ ] 1,003,0 << cmr
400Re >
−⋅⋅⋅⋅=
122,1
sec apa
ssed rg
cmV
ρ
ρ
[ ] 1,0>cmr
o calculul procentului de sediment în suspensie ( p )
[ ] [ ]cmRcmDs
cmg
cmV
R
D
D
RDg
V
Vp hSsed
h
S
S
hS
sed
;;;sec
;4
lg3
1[%]
2
4
5
2
⋅
⋅⋅⋅−=
o calculul debitului masic solid în suspensie:
ssuspensiesolidMASIC
pQQ ρ⋅⋅=
100_
o calculul debitului volumic lichid al suspensiei:
−⋅=
1001_
pQQ suspensielichidVOL
Hidraulică subterană examen-2018 Daniel SCRADEANU
19/19
CONCLUZIICONCLUZIICONCLUZIICONCLUZII
Concluziile trebuie să fie un comentariu al rezultatelor obţinute, rezultate care să
fundamenteze o evaluare a eficienţei economice a laculuI de acumulare.
Evaluarea preliminara a eficientei economice a lacului de acumulare presupune identificarea
factorilor care determină creşterea/reducerea profitului adus de:
o lacul de acumulare
o distribuţia apei din lac pentru:
� microhidrocentrală;
� alimentarea cu apă.
Finalizarea temei consta in identificarea acestor factori si comentarea corelatiei intre
acestia si rezultatele obtinute prin prelucrarea datelor din baza de date.
top related