Πειραματικές διαδικασίες διήθησης-στράγγισης σε στρωματοποιημένα εδάφη και μαθηματική εξομοίωση

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αυτής ήταν η μελέτη της κίνησης του νερού με τη νέα μέθοδο TDR κατά την διαδικασία διήθησης-στράγγισης σε στρωματοποιημενα εδάφη τα οποία εμφανίζονται συνήθως στην πράξη. Συγκεκριμένα σε προβλήματα υπόγειας άρδευσης είναι απαραίτητο να γνωρίζει κάποιος πώς κινείται το νερό στο έδαφος. Για το σκοπό αυτό επιλέχτηκαν δύο εδαφικά δείγματα (πηλοαμμώδες και αμμώδες) από περιοχή της Λάρισας πλησίον του Πηνειού ποταμού, τα οποία και τοποθετήθηκαν σε μία κυλινδρική στήλη από πλεξιγκλάς. Μετρήθηκε η ξηρά πυκνότητα των εδαφικών δειγμάτων στο Εργαστήριο Γεωργικής Υδραυλικής του ΑΠΘ με τη γ-ακτινοβολία και δεν υπήρχαν αποκλίσεις των πυκνοτήτων που μετρήθηκαν από το μέσο όρο της πυκνότητας, γεγονός που δείχνει ότι επιτεύχθηκε καλή ομοιογένεια και στα δύο δείγματα των στρώσεων η οποία οφείλεται στον τρόπο πλήρωσης της στήλης. Η μέτρηση της υγρασίας έγινε με τη σύγχρονη τεχνολογία TDR η οποία είναι μια μη ραδιενεργός μέθοδος, εύχρηστη και δεν απαιτεί βαθμονόμηση κατά την εφαρμογή της. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στον Ελληνικό χώρο στο εργαστήριο για μελέτη ακόρεστης ροής στο έδαφος με αισθητήρες μήκους 5 cm οι οποίοι σχεδιάστηκαν από το Εργαστήριο Γεωργικής Υδραυλικής του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας σε συνεργασία με την Εταιρία SOIL MOISTURE EQUIPMENT CORP. της Αμερικής η οποία τους κατασκεύασε ειδικά για τις ανάγκες της παρούσας πειραματικής διάταξης. Οι πιέσεις του νερού των εδαφικών πόρων μετρήθηκαν με τασίμετρα συνδεδεμένα με μετατροπείς πίεσης οι οποίοι συνδέθηκαν με καταγραφέα δεδομένων (data logger), με συχνότητα εγγραφής ανά λεπτό και δυνατότητα μεταφοράς των δεδομένων από τον καταγραφέα στον Η/Υ σε αρχείο Excel για επεξεργασία. Από τη διαδικασία διύγρανσης-στράγγισης του εδαφικού νερού προέκυψαν οι πειραματικές οριακές καμπύλες θ(h) στις οποίες το φαινόμενο της υστέρησης είναι αρκετά ευδιάκριτο στα εδαφικά δείγματα που χρησιμοποιήθηκαν. Οι πειραματικές καμπύλες αυτές προσεγγίστηκαν με πολύ καλό συντελεστή συσχέτισης από το μοντέλο van Genuchten με τη μέθοδο των συζυγών διευθύνσεων και τη μέθοδο του Marquardt. Το θεωρητικό μέρος της έρευνας περιέλαβε τη μελέτη της κατακόρυφης κίνησης του νερού σε στρωματοποιημένο έδαφος. Οι υδροδυναμικές παράμετροι που εξήχθησαν από την πειραματική διαδικασία αποτέλεσαν το απαραίτητο εργαλείο για την εξομοίωση της κίνησης του νερού στα συγκεκριμένα δείγματα εδάφους. Έγινε επίλυση της εξίσωσης τύπου Richards με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών και την τεχνική Newton - Raphson. Συγχρόνως παρουσιάστηκε ένα νέο επαναληπτικό μοντέλο που επιλύει την εξίσωση τύπου Fokker Planck. Με βάση την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης Richards, μελετήθηκε η μεταβολή του όγκου του νερού και τα προφίλ υγρασίας και πίεσης. Διαπιστώθηκε καλή προσέγγιση μεταξύ των πειραματικών τιμών της υγρασίας και των μετώπων υγρασίας που προέκυψαν από την αριθμητική επίλυση με εφαρμογή του προγράμματος WAVE για πρώτη φορά σε εδαφική στήλη. Οι αθροιστικοί όγκοι νερού που προέκυψαν από την αριθμητική επίλυση του υπολογιστικού σχήματος με την εφαρμογή του μοντέλου WAVE, συγκρίθηκαν τόσο με τις πειραματικές τιμές που προσδιορίστηκαν με ζύγιση κατά την διάρκεια των πειραμάτων, όσο και από την ολοκλήρωση των μετώπων υγρασίας που κατασκευάστηκαν από τις πειραματικές τιμές και διαπιστώθηκε ικανοποιητική σύμπτωση αυτών. Τέλος διαπιστώθηκε καλή προσέγγιση μεταξύ των πειραματικών τιμών υγρασίας και των μετώπων υγρασίας που προέκυψαν από την αριθμητική επίλυση του υπολογιστικού σχήματος όταν χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι της χαρακτηριστικής καμπύλης που προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο των συζυγών και η ακόρεστη υδραυλική αγωγιμότητα από την εμπειρική σχέση του Gardner. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας είναι δυνατόν να τύχουν ευρείας εφαρμογής στην νεοεμφανιζόμενη μέθοδο της υπόγειας άρδευσης κατά την διάρκεια της οποίας λαμβάνει χώρα στράγγιση και διύγρανση συγχρόνως.