APA DIN CER AJUNGE IN ADANCURI SI DIN ADANCURI LA ROBINET · P - precipitatiile medii anuale an mm...

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


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.


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



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


4/19

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


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 !


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


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


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:


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


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)


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


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


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

___

__ =


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


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


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


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


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


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.

APA DIN CER AJUNGE IN ADANCURI SI DIN ADANCURI LA ROBINET · P - precipitatiile medii anuale an mm...

Documents

Transcript of APA DIN CER AJUNGE IN ADANCURI SI DIN ADANCURI LA ROBINET · P - precipitatiile medii anuale an mm...