Hydrologia. Maanpinnan alaisten vesien jako

Transkriptio

1 Hydrologia L7 Maavedet Maanpinnan alaisten vesien jako Maavesi, vedellä kyllästymätön vyöhyke juurivesi välivyöhyke kapillaarivesi Pohjavesi, vedellä kyllästetty vyöhyke 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 2 1

2 Maaperä Koostumus Kiinteät osat (orgaaniset ja epäorgaaniset maapartikkelit) Nestemäistä vettä (sis. liuenneita aineita) Kaasuja (ilmaa, jonka koostumus erilainen kuin ilmakehässä) Biologinen toiminta Tekstuuri (partikkeleiden kokojakauma) Struktuuri (rakenne, partikkelien kerrostumis- ja liittymisrakenne) Hiukkeinen: karkearakeisia yksittäisiä partikkeleja Mururakenne: savimaissa, yhteen sitoutuneita partikkeleja Makro- ja mikrostruktuurit 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 3 Veden sitoutuminen maaperään 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 4 2

3 Maan rakenteeseen vaikuttavat tekijät Kuivumiskutistuminen. Se riippuu: maalajeista, humupitoisuudesta ja savipitoisuudesta Ulkoinen tehopinta A kasvaa hiukkaskoon pienentyessä. Esim. 1 g:ssa pallon muotoisia hiukkasia, joiden tiheys=2.7 kg/dm 3 A saa arvoja: d=2 mm A=0.001 m 2 ; d=0.002 mm A=1.1 m 2 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 5 Maarakeiden sidosvoimat Vesimolekyyli on dipoli. Se pystyy sitoutumaan erityisesti negatiivisesti varautuneiden maan hiukkasten kanssa (adsorptio) Ohuita kerroksia. Mitä enemmän hiukkaspintoja sitä enemmän vettä voi sitoutua Sidosvoimien suuruus: esim. etäisyydellä < mm hiukkasen pinnasta ne ovat noin 70000*painovoima 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 6 3

4 Maaperän vesipitoisuuden määrittelyt Huokoisuus huokosten tilavuus suhteessa kokonaistilavuuteen Kosteus so. veden tilavuus (U w ) suhteessa kokonaistilavuuteen (U) = m u. Kosteus so. veden massa (M w ) suhteessa kiinteään aineen massaan (M s ) = m s Kosteus so. veden massa (M w ) suhteessa kokonaismassaan (M) = m M Irtotiheys = märkä tilavuuspaino, M Kiintotiheys = maa-aineksen tiheys, s Kuiva tilavuuspaino, D 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 7 Kosteussuureiden riippuvuuksia Irtotiheys = märkä tilavuuspaino, M Kiintotiheys = maaaineksen tiheys, s Kuiva tilavuuspaino, D 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 8 4

5 Kapillaarinen nousu eri maalajeilla Nousukorkeudessa erittäin suuria eroja 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 9 Kapillaarinen nousu ja huokoskoko Nostava voima johtuu pintajännityksestä Mitä ohuempi putki sitä korkeammalle vesi nousee Nousukorkeus likimain kaavalla: h=15/r, missä h=kapillaarinen nousukorkeus (m), r =huokosputken säde ( m) 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 10 5

6 Bernoullin yhtälö Energiakorkeus= nopeuskorkeus+painekorkeus +painovoimapotentiaali Maavesivirtaukset hitaita < 1 cm/s nopeuskorkeus voidaan jättää pois Kokonaispotentiaali tai hydraulinen korkeus = paine- eli matrikkelipotentiaali + painovoimapotentiaali. Juurivyöhykkeeessä huomoidaan myös osmoottinen potentiaali 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 11 Maaperässä alaspäin suunnatun vesipatsaan paino = maaperän hiukkasten imu Maaperässä veden suhteen alipaine: maan vetovoima vaikuttaa alaspäin, hiukkasten sidosvoimat pitävät vettä ylhäällä Kuvassa tensiometri, voidaan käyttää kun imu < 1 at 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 12 6

7 Veden pidätyskyky Käytännössä painepotentiaali-termi Bernoullin yhtälössä ajatellaan olevan kapillaaristen voimien määräämä Muita (toisarvoisia) kokonaispotentiaaliin vaikuttavia tekijöitä ovat: osmoosi ja lämpötilaerot, jotka vaikuttavat vesihöyryn liikkeisiin Kapillaaripotentiaali = energia/paino, tarvitaan vesiosasen irrottamiseen maahiukkasesta 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 13 Painepotentiaalin tasapainotila Kapillaarivyöhykkeessä ja välivyöhykkeessä vallitseva paine < kuin ulkoinen paine Pohjavesivyöhykkeessä vallitseva paine > kuin ulkoinen paine 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 14 7

8 Vedenpidätyskäyrä Perustuu kyllästetyllä maanäytteellä tehtyyn imukokeisiin X-akseli: vesipitoisuus, y- painepotentiaali (=imu) metreinä vesipatsasta Toinen y-akseli tavallisesti: pf-luku = lg(painepotentaali cm:nä ilmoitettuna) Joskus y-akselilla myös sen huokosputken halkaisija (d v ), jossa kapillaarivoimat tasapainossa maan vetovoiman kanssa vedenpidätyskäyrä kuvaa myös maan huokosjakaumaa 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 15 Vedenpidätyskäyriä 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 16 8

9 Maalajiluokitukset A,B=savilajeja C=hiekka D=sora Geologinen ja geotekninen luokitus savi: d< mm siltti: 0.002<d<0.6 mm hiekka: 0.6<d<2 mm Tämän jälkeen erot: Sora/geologinen 2<d<60 mm Sora/geotekninen 2<d<20 mm, Kivet/geologinen 60<d<600 mm Kivet/geotekninen 20<d<200 mm Lohkareet/geologinen 600 mm<d Lohkareet/geotekninen 200 mm<d 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 17 Maankosteusmittaukset Maanäyte: punnitus märkänä ja kuivana Sähköisen vastuksen ja kapasitanssin muutoksiin p.m. Tensiometri (hyvin kostea maa) Radioaktiiviset menetelmät Neutronimittari, neutronit hidastuvat vetyatomeista, vety maaperässä on maaveden vetyä Gammasäteilyn imeytymiseen p.m. Maaperän dielektrisyyden mittaus tutkalla TKK_Karvonen_Maavedet.p df 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 18 9

10 Veden liikkeet: Darcyn kaava Vesi virtaa pienemmän potentiaalin suuntaan Kaavaa sovellettiin alun perin (1856) pohjavesivirtaukselle, 1930-luvulta sovellettu myös maavesivirtaukseen q= virtausnopeus (cm/s) K= hydraulinen johtavuus (cm/s) H/L= paineviivan kaltevuus H=paineviivan korkeusero matkalla L Hiekka: K=10-4 kaltevuus I=H/L=1/20 q=10-4 *0.05 m/s=43 cm/vrk Hieta: K=10-7 kaltevuus I=H/L=1/20 q=10-7 *0.05 m/s=0.43 mm/vrk 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 19 Johtavuuden määrittäminen laboratoriossa Vakiopainekork euteen perustuva menetelmä, soveltuu karkearakeisen maan johtavuuden määrittämiseen Muuttuvaan painekorkeuteen perustuva menetelmä, soveltuu hienorakenteisel le maalle 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 20 10

11 Hydraulisen johtavuuden määrittäminen kentällä Kenttämenetelmät kairanreikämenetelmä eli ns. auger hole, mitataan vedenpinnan nousunopeus pohjavesiputkessa käänteinen auger hole = pohjavesiputkeen lisätyn vedenpinnan laskunopeus infiltrometri = veden poistumisnopeus astiasta pohjavesipumppaus: seurataan pohjavesipinnan laskua pohjavesiputken ympärillä, kun vettä pumpataan putkesta 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 21 Veden imeytyminen maahan Imeytyminen suuri sadetapahtuman alussa Sateen jatkuessa vakioituu tietylle tasolle = imeyntäkyky, joka riippuu maan rakeisuudesta (karkeassa suuri) rakenteesta kosteusoloista (vaikuttaa imeyntään sateen alussa) kasvipeitteestä (suojaa kovettumiselta ts. parantaa imeytymistä toisaalta interseptio vähentää imeytyvää osuutta) Kaltevuudesta Sateen intensiteetti määräävä tekijä imeytymisessä. Jos intensiteetti > imeyntäkyky alkaa pintavalunta 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 22 11

12 Imeytymiskaavoja Horton (1940), Philip (1957) ja Kostiakov (1932) Kaikissa imeytyminen on ajan funktio ja erilaisia maaperän laatua kuvaavia parametreja Alla Hortonin kaava, jossa f c = lopullinen imeyntä mm/d, f 0 =imeyntä sateen alussa mm/d, k=maalajista ja peitteestä riippuva vakio, t=aika..\luennot2006\hortonin_kaava.xls 15/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 23 12