Apoxeteyseis Simeioseis 02

ΜΕΡΟΣ ΔΕΥΤΕΡΟ Περιεχόμενα σελ.

7. Διάβρωση των αγωγών από παραγωγή υδρόθειου

8. Αντλιοστάσια στα δίκτυα αποχέτευσης

9. Δίκτυα αποχέτευσης ομβρίων – Η δημιουργία της απορροής

90 – 95

96 – 122

123 – 169

10. Η απορροή βροχής σε παντορροϊκά δίκτυα – Έλεγχος και μέτρα για τον περιορισμό της ρύπανσης των φυσικών αποδεκτών 11. Διαστασιολόγηση υπερχειλιστικών διατάξεων σε δίκτυα αποχέτευσης

170 – 178 179 – 185

12. Μείωση της απορροής βροχής σε αστικές και ημιαστικές επιφάνειες – Η διήθηση της απορροής ομβρίων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ

186 – 198 199 – 229

Ιωσηφίδης Βασίλης Δρ Πολιτικός Μηχανικός

7. Διάβρωση των αγωγών από παραγωή υδρόθειου

7. Διάβρωση των αγωγών από παραγωγή υδρόθειου 7.1. Γενικά Το υδρόθειο H2S δημιουργείται από τις οργανικές ενώσεις που περιέχουν θείο και από θειικές ενώσεις των λυμάτων με βιολογικές διεργασίες. Προϋπόθεση είναι η έλλειψη διαλυμένου οξυγόνου, δηλαδή η ύπαρξη στα λύματα αναερόβιων ή ανοξικών συνθηκών. Κυρίως στους καταθλιπτικούς αγωγούς, αλλά υπό ορισμένες προυποθέσεις και σε αγωγούς με ελεύθερη επιφάνεια ροής και μεγάλα μήκη, δημιουργούνται αναερόβιες ή ανοξικές συνθήκες. Είναι προφανές ότι η παρουσία του υδρόθειου είναι ανεπιθύμητη και πρέπει να ελαχιστοποιείται. Το υδρόθειο που με μορφή αερίου αποσπάται από τα λύματα μπορεί να οξειδωθεί με την παρέμβαση μικροοργανισμών στην ελεύθερη επιφάνεια του αγωγού, δηλαδή στα ψηλότερα σημεία, οδηγώντας σε τιμές pH κοντά στο 1. Τα κυριότερα προβλήματα που προκαλεί το υδρόθειο μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: 1. Προκαλεί απεχθείς οσμές που εκδηλώνονται συνήθως στην έξοδο των ωθητικών αγωγών

σε ελεύθερο χώρο (φρεάτιο εξόδου, φρεάτιο αντλιοστασίου, κ.λπ.) 2. Δημιουργεί δηλητηριώδες περιβάλλον, επικίνδυνο για την υγεία και τη ζωή όσων εργάζονται

στη συντήρηση των δικτύων 3. Διαβρώνει την οροφή των αγωγών από σκυρόδεμα, αμιαντοτσιμέντο ή μέταλλο (στην

περιοχή που δεν είναι βρεχόμενη). Τα τοιχώματα των αγωγών που βρέχονται δεν προσβάλλονται σοβαρά από το διαλυμένο υδροθείο . Η διάβρωση προκαλείται από το θειικό οξύ που παράγεται από οξείδωση του υδρόθειου στα τοιχώματα της οροφής παρουσία υγρασίας. Η οξείδωση προκαλείται από αερόβια βακτηρίδια σε δύο στάδια: •

στο πρώτο στάδιο γίνεται οξείδωση του H2S σε S : 2 H2S + Ο2 → 2 H2S + 2S

90


•


στο δεύτερο στάδιο βακτηρίδια όπως ο θειοβάκιλος οξειδώνουν το θείο σε θειικό οξύ : 2S + 3O2 + 2 H2S → 2 H2SO4

Συνθήκες απουσίας αέρα που ευνοούν την παραγωγή υδροθείου απαντώνται σε αγωγούς με ροή υπό πίεση (καταθλιπτικοί, σίφωνες, κ.λπ.). Η ποσότητα του υδροθείου που παράγεται αυξάνεται με: •

την αύξηση του χρόνου παραμονής σε συνθήκες μη αερισμού,

•

την αύξηση της θερμοκρασίας,

•

την αύξηση του οργανικού φορτίου,

•

την αύξηση της διαμέτρου του αγωγού

Στο σχήμα 7.1 που ακολουθεί φαίνονται τα τρία διακριτά τμήματα ενός αγωγού αποχέτευσης με ελεύθερη ροή. Τμήμα 1 : πλήρες λυμάτων τμήμα του αγωγού Τμήμα 2 : ελεύθερη διατομή πάνω από την ελεύθερη στάθμη των λυμάτων Τμήμα 3 : τμήμα της επιφάνειας του αγωγού που δεν καλύπτεται από λύματα

Σχήμα 7.1 : Διαχωρισμός κυκλικού αγωγού με ελεύθερη ροή στα τρία τμήματα Οι περιεκτικότητες σε θειούχες ενώσεις έχουν ως εξής: CS : περιεκτικότητες σε θειούχες ενώσεις των λυμάτων στο τμήμα 1 CS1:περιεκτικότητα σε ελεύθερες ενώσεις θείου (H2S) στα λύματα στο τμήμα 1

91



CS2 : ελεύθερες ενώσεις θείου στο τμήμα 2 S3 : ενώσεις θείου στην ελεύθερη από λύματα επιφάνεια του αγωγού που οδηγούν σε διαβρώσεις όταν δεν υπάρχει κατάλληλη προστασία των ευαίσθητων υλικών του αγωγού Η διάβρωση αρχίζει για περιεκτικότητα CS1 μεγαλύτερη από 0,5 mg/l. Αν γνωρίζουμε την περιεκτικότητα των διαλυμένων θειούχων ενώσεων CS στα λύματα και εφ’ όσον είναι γνωστή η τιμή pH των λυμάτων από τον πίνακα 7.1 μπορεί να εκτιμηθεί το ποσοστό των θειούχων ενώσεων (H2S) που απελευθερώνεται. Τιμή pH

Απελευθερωμένο ποσοστό του H2S

[-]

[-]

6,0

0,91

6,6

0,72

7,0

0,50

7,2

0,39

7,4

0,28

7,6

0,20

7,8

0,14

8,0

0,09

Πίνακας 7.1 : Απελευθερωμένο ποσοστό θειούχων ενώσεων σ (H2S) από τη συνολική περιεκτικότητα Cs Η συγκέντρωση των ελεύθερων ενώσεων στα λύματα υπολογίζεται ως : CS1 = σ · CS

7.2.

(1)

Έλεγχος επικινδυνότητας για αγωγούς με ελεύθερη επιφάνεια (Βήμα 1ο)

Στο πρώτο βήμα ελέγχου με τη βοήθεια εμπειρικών σχέσεων γίνεται διερεύνηση οριακών τιμών και έλεγχος μη υπέρβασής τους. Αν δεν υπάρχει υπέρβαση ο έλεγχος διακόπτεται στο πρώτο βήμα. Μεγαλύτερος κίνδυνος διάβρωσης υπάρχει σε αγωγούς με αποθέσεις.

92



7.2.1. Ο δείκτης Ζ του Pomeroy Ο δείκτης Ζ του Pomeroy δίνει την πληροφορία αν πρέπει να αναμένεται διάβρωση σε αγωγούς του δικτύου ή όχι. Το ενεργό BOD5 (EBOD) είναι το μέγεθος που εκφράζει και την πιθανότητα εμφάνισης διάβρωσης και εξαρτάται και από τη θερμοκρασία : EBOD = BOD5 · 1,07(T-20) = BOD5 · fT

(2)

Τις τιμές του EBOD για διάφορες θερμοκρασίες και τιμές του BOD5 δίνει ο πίνακας 7.2 : Θερμοκρασία

fT

Τ [ο]

[-]

180

200

250

300

350

400

500

8

0,4440

79,9

88,8

111,0

133,22

155,4

177,6

222,0

10

0,5083

91,5

101,7

127,1

152,5

177,9

203,3

254,2

12

0,5820

104,8

116,4

145,5

174,6

203,7

232,8

291,0

14

0,6663

119,9

133,3

166,6

199,9

233,2

266,5

333,2

16

0,7629

137,3

152,6

190,7

228,9

267,0

305,2

381,4

18

0,8734

157,2

174,7

218,4

262,0

305,7

349,4

436,7

20

1,0000

180,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

500,0

22

1,1449

206,1

229,0

286,2

343,5

400,7

458,0

572,4

25

1,4025

252,5

280,5

350,6

420,8

490,9

561,0

701,3

EBOD [mg/l] για τιμή BOD5 [mg/l] ίση με

Πίνακας 7.2 : Τιμές του ενεργού BOD (EBOD) σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και το BOD5 των λυμάτων Ο δείκτης Ζ του Pomeroy υπολογίζεται από τον τύπο :

Z=

3 ⋅ EBOD lu ⋅ J 1 / 2 ⋅ Q1 / 3 b

(3)

όπου : EBOD : το ενεργό οργανικό φορτίο (mg/l) J : η κλίση του αγωγού Q : η παροχή στον αγωγό (m3/s)

lu : η βρεχόμενη περίμετρος (m) b : το πλάτος της ελεύθερης επιφάνειας του αγωγού (m)

93



Για τιμές του Ζ μικρότερες από 5.000 η πιθανότητα παραγωγής υδροθείου είναι μικρή. Για Ζ στην περιοχή 5.000 – 10.000 αναμένεται σχηματισμός μικρών ποσοτήτων υδροθείου (0,2 ως 0,4 mg/l) χωρίς όμως σοβαρούς κινδύνους. Σοβαρά προβλήματα αναμένονται για Ζ μεγαλύτερο του 10.000 και ιδιαίτερα στην περιοχή 15.000 ως 20.000. Βέβαια δεν είναι πάντοτε δυνατή η τήρηση των δύο όρων, δηλαδή η ταχύτητα ροής να είναι μεγαλύτερη από την ελάχιστη επιτρεπόμενη για αποφυγή αποθέσεων (V≥Vmin) και η τιμή Ζ≤Ζεπιτρ. Στις περιπτώσεις αυτές θα πρέπει να γίνεται ειδική μελέτη και να επιδιώκεται η προστασία των αγωγών. Οι παραπάνω έλεγχοι δεν αρκεί να γίνονται για τις συνθήκες μέγιστης παροχής στους αγωγούς, αλλά πρέπει να γίνονται για ενδιάμεσες συνθήκες αλλά και για συνθήκες ελάχιστης παροχής. 7.2.2. Υπολογισμός του κρίσιμου μήκους αγωγού με ελεύθερη επιφάνεια Για την υπολογιστική εκτίμηση της παραγωγής υδροθείου (H2S) σε αγωγό με ελεύθερη επιφάνεια γίνεται η παραδοχή ότι κατ’ αρχήν δεν υπάρχουν ελεύθερες θειούχες ενώσεις στα λύματα και ότι δεν υπάρχουν νέες εισροές άρα δεν υπάρχει και είσοδος οξυγόνου ή θειούχων ενώσεων. Επίσης γίνεται η παραδοχή ότι το pH έχει τιμή περίπου 7. Για περιεκτικότητα θειούχων ενώσεων CS = 1,0 mg/l στα λύματα, η περιεκτικότητα σε ελεύθερες θειούχες ενώσεις CS1 είναι περίπου ίση με 0,5 mg/l (από πίνακα 7.1) οπότε αναμένεται διάβρωση. Μετά από χρόνο ροής tF, οδηγούμαστε στην οριακή τιμή Slim όπου η αύξηση των θειούχων ενώσεων στα λύματα είναι σε ισορροπία με το απελευθερούμενο H2S :

Slim =

0,5 ⋅10−3 ⋅ EBOD lu ⋅ ( J ⋅ VT )3/8 b

(4)

Με τη βοήθεια της οριακής τιμής Slim = 1,0 mg/l υπολογίζεται ο χρόνος ροής tF για κυκλικούς αγωγούς, από τον οποίο και μετά αρχίζει ο κίνδυνος διάβρωσης:

tF =

AT Slim ⋅ ln( ) 3/8 Slim − 1, 0 0, 64 ⋅ b ⋅ ( J ⋅VT )

(5)

όπου VT : η ταχύτητα ροής στον αγωγό για την συγκεκριμένη πληρότητα ΑΤ : η βρεχόμενη επιφάνεια του αγωγού για τη συγκεκριμένη πληρότητα 94



Το κρίσιμο μήκος του αγωγού Lc υπολογίζεται από την ταχύτητα ροής και τον κρίσιμο χρόνο ροής tF ως :

Lc = 3600 ⋅ VT ⋅ t F

(6)

95



8. Αντλιοστάσια στα δίκτυα αποχέτευσης 8.1. Περιπτώσεις εφαρμογής Η κατασκευή των αντλιοστασίων είναι επιβεβλημένη στις περιπτώσεις εκείνες που η ανάγκη ύπαρξης ελάχιστης κλίσης στους αγωγούς αποχέτευσης οδηγεί σε απαγορευτικά μεγάλα βάθη εκσκαφής. Στις περιπτώσεις αυτές είναι οικονομικότερη η κατασκευή αντλιοστασίων προκειμένου τα λύματα να ανυψωθούν σε υψηλότερο επίπεδο. 8.2. Σχεδιασμός και διαστασιολόγηση των αντλιοστασίων Κατά τον σχεδιασμό και τη διαστασιολόγηση των αντλιοστασίων πρέπει να λαμβάνεται πρόνοια, ώστε να υπάρχει επαρκές περιθώριο και να εξασφαλίζεται ο ίδιος βαθμός ασφάλειας κατά τη λειτουργία που εξασφαλίζουν τα δίκτυα αποχέτευσης βαρύτητας. Πρέπει να εξασφαλίζεται η αυτόματη, χωρίς βλάβες, λειτουργία του συστήματος και να διασφαλίζεται ότι οι ανθυγειινές και επικίνδυνες εργασίες συντήρησης περιορίζονται στο ελάχιστο. Βασικό μέλημα του μελετητή είναι κατ’ αρχήν η ανεύρεση του χώρου στον οποίο θα τοποθετηθεί το αντλιοστάσιο, αλλά και οι διαστάσεις και ο εξοπλισμός του. Μεταξύ των άλλων θα πρέπει να συμφωνηθεί τόσο η χάραξη του καταθλιπτικού αγωγού, όσο και η όδευση του προσαγωγού ως το αντλιοστάσιο. 8.2.1. Τύπος και διαστάσεις του αντλιοστασίου Για την επιλογή του τύπου και των διαστάσεων του αντλιοστασίου σημαντικό ρόλο παίζουν το επιθυμητό αποτέλεσμα (ύψος που πρέπει να υπερνικηθεί, παροχή κλπ), ο τρόπος τοποθέτησης της αντλίας (σε υγρό ή στεγνό περιβάλλον) και ο λοιπός εξοπλισμός που χρειάζεται (π.χ. μετασχηματιστής, ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, γερανογέφυρα, αποθήκη, εργαστήριο κλπ). Ο τρόπος τοποθέτησης των αντλιών σε ξηρό περιβάλλον (κάθετα ή οριζόντια) επηρεάζει τις διαστάσεις του αντλιοστασίου.

96



Κατά κανόνα τα αντλιοστάσια των δικτύων αποχέτευσης ακαθάρτων είναι εξοπλισμένα με φυγοκεντρικές αντλίες. Οι αντλίες αυτές δεν αναρροφούν από μόνες τους και για το λόγο αυτό θα πρέπει να είναι τοποθετημένες σε τέτοια στάθμη, ώστε τα λύματα να οδηγούνται σ’ αυτές με ελεύθερη κλίση. Κατά κανόνα τοποθετούνται κατ’ ελάχιστο δύο αντλίες. Σημαντική απόφαση είναι η επιλογή του αν θα επιλεγούν αντλίες ξηρού ή υγρού τύπου που επηρεάζουν τόσο την κατασκευή όσο και τη λειτουργία του αντλιοστασίου. Ενώ η επιλογή αντλιών υγρού τύπου επιτρέπει μεγαλύτερη ασφάλεια στο θέμα της αντιμετώπισης προβλημάτων υπερχείλισης και μικρότερο κόστος επένδυσης, προσθέτει περισσότερα έξοδα προσωπικού συντήρησης και ανθυγιεινές ως και επικίνδυνες εργασίες συντήρησης. Σημαντική είναι και η απόφαση του αν το αντλιοστάσιο θα έχει ή όχι ανωδομή. Για μικρότερες μονάδες προσφέρονται και οι έτοιμες μονάδες αντλιοστασίων που μεταφέρονται και μοντάρονται επί τόπου. Στα σχήματα 8.1 και 8.1α φαίνονται οι δυνατότητες επιλογής της μορφής του αντλιοστασίου. Η τελική πάντως απόφαση για τη μορφή και τον εξοπλισμό του αντλιοστασίου εξαρτάται από πολλές συνιστώσες, όπως είναι κριτήρια προσωπικού, οικονομικά, περιβαλλοντικά, λειτουργικά, ενεργειακά κριτήρια κ.ά.

Σχήμα 8.1 : Παράδειγμα αντλιοστασίου με τοποθέτηση των αντλιών σε ξηρό χώρο

97



Σχήμα 8.1α : Παράδειγμα αντλιοστασίου με τοποθέτηση αντλιών σε υγρό θάλαμο 8.2.2. Προσαγωγή λυμάτων Για τη διαστασιολόγηση του αντλιοστασίου απαιτείται η γνώση της ημερήσιας διακύμανσης της παροχής των λυμάτων που εισέρχονται στο αντλιοστάσιο η οποία εξαρτάται: -

από το είδος του δικτύου (χωριστικό ή παντορροϊκό)

-

το μέγεθος και τη μορφή της εξυπηρετούμενης επιφάνειας

-

τον αριθμό των εξυπηρετούμενων κατοίκων

-

την ύπαρξη ή μη βιομανικών ή βιοτεχνικών πάρκων στην εξυπηρετούμενη περιοχή

Η ημερήσια παροχή αποδίδεται με τη βοήθεια μιας καμπύλης μεταβολής της στη διάρκεια του 24ωρου. Υπάρχουν μεγάλες διαφοροποιήσεις με βάση τα προηγούμενα αναφερθέντα αλλά και λόγω διαφοροποιήσεων μεταξύ εργάσιμων ημερών και αργιών. Σε περίοδο βροχής είναι επίσης αναμενόμενη (ακόμη και σε χωριστά δίκτυα) η αύξηση της ημερήσιας παροχής. Η καμπύλη της παροχής αποτελεί και το δεδομένο που επιτρέπει τη διαστασιολόγηση των αντλιών και πιο συγκεκριμένα την επιλογή του τύπου και του μεγέθους της αντλίας, του κινητήρα της και της ανάγκης δυνατότητας αλλαγής των στροφών του συστήματος. 8.2.3. Ύψος άντλησης και άλλα υψομετρικά στοιχεία Για να γίνει σωστή διαστασιολόγηση του αντλιοστασίου χρειάζονται τα υψόμετρα του πυθμένα του αγωγού προσαγωγής, τα σημεία λειτουργίας και παύσης των αντλιών στο θάλαμο αναρρόφησης, το

98



υψόμετρο στη θέση προορισμού των αντλούμενων λυμάτων και η εδαφική μηκοτομή στη θέση όδευσης του καταθλιπτικού αγωγού. Στο γεωδαιτικό ύψος που καλείται το αντλιοστάσιο να υπερνικήσει, προστίθενται οι αναμενόμενες απώλειες τριβής που εξαρτώνται από το είδος του αγωγού, την ταχύτητα κίνησης του υγρού, τη διάμετρο και το μήκος του καταθλιπτικού αγωγού. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται η περίπτωση που περισσότερα του ενός αντλιοστάσια καταθλίβουν στον ίδιο καταθλιπτικό αγωγό, έτσι ώστε, κατά περίπτωση, το πιεζομετρικό φορτίο που απαιτείται να διαφοροποιείται, γεγονός που επηρεάζει την επιλογή των αντλιών. 8.2.4. Διάμετρος διερχόμενων στερεών Για να επιτυγχάνεται ανεμπόδιστη προώθηση των λυμάτων η εμπειρία έδειξε ότι είναι απαραίτητη η πρόβλεψη διέλευσης στερεών 100mm μέσα από το αντλητικό συγκρότημα. Αυτονόητο είναι ότι το ίδιο ισχύει και για τον ωθητικό αγωγό αλλά και για τον υπόλοιπο εξοπλισμό του αντλιοστασίου (δικλείδες, βαλβίδες αντεπιστροφής κλπ). Ιδιαίτερης σημασίας είναι επίσης η επιλογή της ελάχιστης ταχύτητας ροής στον καταθλιπτικό αγωγό. Αυτό θα μπορούσε σε μικρά αντλιοστάσια να οδηγήσει και σε υπερδιαστασιολόγηση των αντλιών που θα επιλεγούν σε σχέση με αυτή που υπαγορεύει η παροχή εισόδου. Σαν ελάχιστη διάμετρος για τον καταθλιπτικό αγωγό θα πρέπει να επιλέγεται αγωγός με διάμετρο 90mm. 8.2.5. Ταχύτητα ροής και διάμετρος του καταθλιπτικού αγωγού Κατά την επιλογή της ταχύτητας λειτουργίας του καταθλιπτικού αγωγού πρέπει να ληφθούν υπ’ όψη τα εξής: -

η ταχύτητα δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 0,5m/s για μεγάλη και από 1,0m/s για μικρή διάρκεια λειτουργίας του αντλητικού συγκροτήματος μέσα στην ημέρα

-

όταν υπάρχουν μεγάλα κενά διαστήματα μεταξύ των περιόδων λειτουργίας του αντλιοστασίου, είναι απαραίτητες οι υψηλότερες ταχύτητες ροής

99



-

μικρές ταχύτητες οδηγούν σε αποθέσεις μέσα στον καταθλιπτικό αγωγό με κίνδυνο εμφράξεων

-

η μέγιστη ταχύτητα εξαρτάται από τη διάμετρο του αγωγού. Για μήκος ωθητικών αγωγών ως 500m οι μέγιστες ταχύτητες έχουν ως εξής: διάμετρος

mm

90

110

150

200

ταχύτητα

m/s

2,0

2,0

2,2

2,4

παροχή

l/s

10

16

40

75

-

ταχύτητες μεγαλύτερες από 2,5m/s πρέπει να αποφεύγονται

-

για αγωγούς μήκους πάνω από 500m πρέπει να αποφεύγονται μεγάλες ταχύτητες για αποφυγή υδραυλικών πληγμάτων κατά τη διακοπή λειτουργίας

Γενικά η κατάλληλη ταχύτητα προκύπτει μέσα από ένα οικονομικό έλεγχο της κάθε λύσης αφού ληφθούν υπ’ όψη οι παραπάνω περιορισμοί. Τονίζεται, ότι η ονομαστική διάμετρος μπορεί να διαφέρει ριζικά από την ελεύθερη εσωτερική διάμετρο, ανάλογα με το υλικό του αγωγού και τις πιέσεις τις οποίες αυτός καλείται να αντιμετωπίσει. 8.2.6. Αριθμός εκκινήσεων των αντλιών και μέγεθος του θαλάμου αναρρόφησης Ο απαιτούμενος ωφέλιμος όγκος στο θάλαμο αναρρόφησης για φυγοκεντρικές αντλίες με σταθερό αριθμό στροφών υπολογίζεται από την εξίσωση που ακολουθεί και καθορίζεται από τους μετρητές στάθμης έναρξης και διακοπής της λειτουργίας των αντλιών.

V = 0,9 ⋅

Qμέση Z

(1)

όπου : V : όγκος του θαλάμου αναρρόφησης σε m3 Qμέση : μέση παροχή αντλιοστασίου σε l/s Ζ : αριθμός εκκινήσεων ανά ώρα Αριθμός εκκινήσεων μεγαλύτερος από 15/ώρα δεν συνιστάται. Ο επιτρεπόμενος αριθμός εκκινήσεων εξαρτάται από την ποιότητα του μηχανικού τμήματος αλλά και τον κινητήρα του αντλητικού συγκροτήματος.

100



8.2.7. Κίνδυνος σήψης των λυμάτων Σε περιπτώσεις μικρών ημερήσιων παροχών και μεγάλου μήκους καταθλιπτικών αγωγών, ο χρόνος παραμονής των λυμάτων στο σύστημα αντλιοστάσιο – καταθλιπτικός αγωγός μπορεί να επιμηκυνθεί επικίνδυνα και να αρχίσει η σήψη των λυμάτων. Στην περίπτωση αυτή είναι αναπόφευκτη η έκκληση οσμών και υπάρχει κίνδυνος σοβαρών διαβρώσεων από το εκλυόμενο υδρόθειο (H2S). Στο κεφάλαιο 7 εχει γίνει εκτενής αναφορά στο πρόβλημα της διάβρωσης στα δίκτυα αποχέτευσης.

8.3. Κατασκευαστικά στοιχεία Τα αντλιοστάσια ακαθάρτων αποτελούνται από ένα υπόγειο τμήμα και κατά περίπτωση και από ένα υπέργειο. Για το είδος της κατασκευής παίζουν καθοριστικό ρόλο το είδος του εδάφους και το ύψος του υδροφόρου ορίζοντα. 8.3.1. Μέθοδος θεμελίωσης Για το είδος της θεμελίωσης αποφασίζει ο μελετητής με τη βοήθεια των αποτελεσμάτων σχετικής γεωτεχνικής έρευνας που μεταξύ άλλων δίνει και τη στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα, αλλά και το είδος των επιφανειακών φορτίων που καλείται η υπόγεια κατασκευή να φέρει, ιδίως στην περίπτωση έλλειψης ανωδομής. Κατά περίπτωση λοιπόν μπορεί να απαιτηθεί: -

απλή εκσκαφή με κεκλιμένα πρανή

-

εκσκαφή με υποστήριξη με τη βοήθεια αντιστηριζόμενων επίπεδων διαφραγμάτων

-

εκσκαφή με αντιστήριξη με τη βοήθεια πασσαλοσανίδων

-

εκσκαφή με τη μέθοδο του βυθιζόμενου κιβωτίου

Η επικάλυψη των οπλισμών πρέπει να είναι 4cm κατ’ ελάχιστον λόγω του κινδύνου διάβρωσης. Για την ασφάλεια απέναντι στις δυνάμεις άνωσης του υδροφόρου ορίζοντα απαιτείται συντελεστής μ=1,1 με εφαρμογή του υψηλότερου υδροφόρου ορίζοντα που αναμένεται να καταγραφεί και μάλιστα με κενό αντλιοστάσιο.

101



Για την ασφάλεια απέναντι σε διάβρωση, πρωταρχικής σημασίας είναι η ποιότητα του ίδιου του σκυρόδεματος. Σε περίπτωση που αναμένεται ανάπτυξη σημαντικών ποσοτήτων υδρόθειου, η πρόβλεψη εσωτερικής προστατευτικής επικάλυψης είναι επιβεβλημένη. 8.3.2. Θάλαμος αναρρόφησης Η εισαγωγή στο θάλαμο αναρρόφησης πρέπει να διαμορφωθεί έτσι ώστε να αποτρέπονται: -

είσοδος αέρα στις αντλίες

-

απελευθέρωση αερίων

-

συγκέντρωση καθιζανόντων στερεών σε σημεία του πυθμένα

-

η δυσμενής ροή προς τις αντλίες

Απαραίτητος κρίνεται ο αποτελεσματικός εξαερισμός των θαλάμων αναρρόφησης. 8.3.3. Μηχανοστάσιο Η απαιτούμενη επιφάνεια καθορίζεται από το μέγεθος, το είδος και τη συνδεσμολογία των αντλιών που επιλέγονται. Η κλίμακα καθόδου απαιτεί επίσης κάποια επιφάνεια. Απαραίτητη η διαμόρφωση φρεατίου για την αποχέτευση του ίδιου του χώρου και των αντλιών σε περίπτωση διαρροών. 8.3.4. Ανωδομή Στην ανωδομή στεγάζονται: -

οι ηλεκτρολογικοί πίνακες

-

το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος εφ’ όσον προβλέπεται

-

σύστημα εξαερισμού

-

αποθήκη ανταλλακτικών

-

αν προβλέπεται χώρος γραφείου ή WC

-

γερανοδοκός ή γερανογέφυρα αν απαιτείται για την ανύψωση των βαρύτερων τμημάτων της εγκατάστασης

Αντικεραυνική προστασία και εγκατάσταση γείωσης είναι απόλυτα απαραίτητα στοιχεία κάθε αντλιοστασίου.

102



8.4. Οι αντλίες 8.4.1. Φυγοκεντρικές αντλίες 8.4.1.1. Επιλογή των αντλιών Κρίσιμο μέγεθος για την επιλογή των αντλιών είναι το ύψος το οποίο πρέπει να προσδοθεί στα λύματα και το οποίο υπολογίζεται αθροιστικά από : -

την γεωδαιτική υψομετρική διαφορά μεταξύ της χαμηλότερης αναμενόμενης στάθμης ύδατος στο φρεάτιο αναρρόφησης και του υψηλότερου σημείου άντλησης

-

την προαπαιτούμενη πίεση για προώθηση της παροχής σε καταθλιπτικό αγωγό που βρίσκεται ήδη σε λειτουργία

-

τις απώλειες στους αγωγούς και στα ειδικά τεμάχια του αντλιοστασίου (δικλείδες, βαλβίδες αντεπιστροφής, γωνίες κλπ)

Η παροχή Q, το απαιτούμενο μανομετρικό H, ο αριθμός στροφών n της αντλίας και ο βαθμός απόδοσης η μιας συγκεκριμένης αντλίας είναι μεγέθη σε εξάρτηση μεταξύ τους συνδεόμενα με τις χαρακτηριστικές καμπύλες της αντλίας. Η επιλογή της αντλίας γίνεται πάντοτε στη βάση της χαρακτηριστικής καμπύλης λειτουργίας της, που εκφράζει τη σχέση παροχής προς μανομετρικό. Λόγω της μεταβολής του βαθμού απόδοσης αναζητάται πάντα η ευνοϊκότερη περιοχή λειτουργίας της αντλίας. Στο σχήμα 8.2 φαίνεται η «σταθερή» καμπύλη λειτουργίας μιας φυγοκεντρικής αντλίας με σταθερό αριθμό στροφών όπως και ο βαθμός απόδοσης και η απαιτούμενη ισχύς. Τα σημεία τομής της χαρακτηριστικής καμπύλης λειτουργίας της αντλίας και των καμπυλών λειτουργίας του καταθλιπτικού αγωγού δίνουν το πεδίο λειτουργίας της αντλίας. Επιθυμητή είναι η σύμπτωση του πεδίου λειτουργίας της αντλίας με το πεδίο βέλτιστης απόδοσης της καμπύλης παροχής – βαθμού απόδοσης.

103



Σχήμα 8.2 : Καμπύλη λειτουργίας αντλίας και βαθμός απόδοσης ανάλογα με την αντλούμενη παροχή Λόγω της μεταβολής της στάθμης στην έξοδο αλλά και στο φρεάτιο αναρρόφησης αλλά και λόγω μεταβολών στην προαπαιτούμενη πίεση δημιουργείται ένα πεδίο λειτουργίας στις χαρακτηριστικές καμπύλες των αγωγών σύμφωνα με το σχήμα 8.3.

104



Σχήμα 8.3 : Διάγραμμα λειτουργίας αντλίας Η περιοχή λειτουργίας της αντλίας βρίσκεται μεταξύ των σημείων τομής της καμπύλης λειτουργίας με την υψηλότερη και χαμηλότερη χαρακτηριστική καμπύλη. Κατά την επιλογή της αντλίας είναι προτιμητέα η επιλογή απότομης καμπύλης λειτουργίας ιδίως στην περίπτωση παράλληλων αντλιοστασίων. Η προσαρμογή σε μεταβαλόμενη παροχή μπορεί να γίνει με τη βοήθεια αλλαγής στροφών ή στη χειρότερη περίπτωση αλλαγής διαμέτρου του κινητού τμήματος της αντλίας. Σε όλες τις αντλίες πρέπει να ελέγχεται η συμπεριφορά απέναντι στο φαινόμενο της σπηλαίωσης ώστε να αποφεύγονται θόρυβοι, ανήσυχη λειτουργία και φθορά υλικού. Για τη μέτρηση της συμπεριφοράς απέναντι στο φαινόμενο της σπηλαίωσης χρησιμεύει ο αριθμός NPSH (net positive suction head) δηλ. το καθαρό ύψος της γραμμής ενέργειας στην είσοδο του κινητού τμήματος της αντλίας. Η σύγκριση της τιμής του NPSH της εγκατάστασης (NPSHA) με την τιμή του NPSH της αντλίας (NPSHR) θα πρέπει να οδηγεί σε σχέση NPSHA > NPSHR.

105



Την τιμή NPSHR δίνει ο κατασκευαστής. Θα πρέπει στη λειτουργία να επιδιώκεται να ισχύει :

NPSHA ≥ 1,3 NPSHR

(2)

Στο σχήμα 8.4 φαίνεται ο ακριβής υπολογισμός του σημείου λειτουργίας της αντλίας. Ανάλογα με τη στάθμη του υγρού στο θάλαμο αναρρόφησης διαμορφώνεται το απαιτούμενο μανομετρικό που πρέπει να υπερνικήσει η αντλία της οποίας η χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας Q-h τέμνεται από τις χαρακτηριστικές καμπύλες του καταθλιπτικού αγωγού σε άλλο σημείο για ανώτατη, για ελάχιστη και για μέση στάθμη του υγρού στο θάλαμο αναρρόφησης.

Σχήμα 8.4 : Λειτουργία της αντλίας για διάφορες χαρακτηριστικές καμπύλες του καταθλιπτικού αγωγού Το στατικό ύψος εισόδου (ύψος αναρρόφησης) υπολογίζεται από την υψομετρική διαφορά της στάθμης του υγρού στο φρεάτιο αναρρόφησης και του άξονα της αντλίας. Αν ο άξονας της αντλίας είναι υψηλότερα από την στάθμη του υγρού στο θάλαμο αναρρόφησης (πράγμα που δεν συνιστάται στα αντλιοστάσια αποχέτευσης) το στατικό ύψος εισόδου λαμβάνεται θετικό. Σε αντίθετη περίπτωση λαμβάνεται αρνητικό. Το θετικό ύψος εισόδου δηλ. το ύψος αναρρόφησης δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από την ατμοσφαιρική πίεση στη θέση του αντλιοστασίου, μειωμένη κατά την πίεση του ατμού για την κατά περίπτωση θερμοκρασία του αναρροφώμενου υγρού. 106



Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται σε αντλιοστάσια που βρίσκονται σε μεγάλο υψόμετρο και σε ψηλές θερμοκρασίες του υγρού που αντλείται. Η επιρροή είναι τόσο μεγάλη, ώστε για παράδειγμα υγρό θερμοκρασίας 5ο C στο επίπεδο της θάλασσας μπορεί να αναρροφηθεί 7,5m ενώ σε υψόμετρο 3000m

το ύψος αναρρόφησης

περιορίζεται στα 4,4m. Το μανομετρικό ύψος εισόδου (δυναμικό ύψος αναρρόφησης) περιλαμβάνει πρόσθετα και τις απώλειες τριβής από το φρεάτιο αναρρόφησης ως την αντλία, οι οποίες είναι τόσο μεγαλύτερες όσο αυξάνεται η αναρροφώμενη παροχή. Σε περίπτωση αρνητικού στατικού ύψους εισόδου (στάθμη υγρού υψηλότερα από άξονα αντλίας) οι απώλειες τριβής έχουν θετικό πρόσημο δηλ. μειώνεται η πίεση που υπάρχει στην είσοδο της αντλίας. Το μέγεθος NPSH (net positive suction head) δηλ. καθαρό θετικό ύψος αναρρόφησης υπολογίζεται ως εκ τούτου σαν καθαρό διαθέσιμο ενεργειακό φορτίο στην είσοδο της αντλίας και υπολογίζεται από το στατικό ύψος εισόδου, τις απώλειες τριβής και την ταχύτητα ροής στην είσοδο της αντλίας σύμφωνα με την εξίσωση

Ps + Pb − PD ν s2 NPSH = z s + + ρ⋅g 2g

(3)

όπου : zs :

η υψομετρική διαφορά της εισόδου στην αντλία με το υψόμετρο αναφοράς δηλ. του άξονα της αντλίας (συνήθως 0 ή λίγα εκατοστά)

Ps :

πίεση πλέον της ατμοσφαιρικής στην είσοδο της αντλίας

Pb :

ατμοσφαιρική πίεση στη θέση του αντλιοστασίου (στο ύψος της θάλασσας 1bar)

PD:

πίεση του ατμού του ύδατος για συγκεκριμένη θερμοκρασία (στους 20οC περίπου 0,03 bar)

ρ:

πυκνότητα του ύδατος (1000kg/m3)

g:

επιτάχυνση της βαρύτητας (9,81m/s2)

vs :

ταχύτητα ροής στην είσοδο της αντλίας

107



Ο υπολογισμός του NPSH επιτρέπει τη σύγκριση με το μέγεθος NPSHR που δίνει ο κατασκευαστής της αντλίας που είναι απαραίτητος για την αποφυγή φυσαλλίδων βρασμού που επηρεάζουν τη λειτουργία και το χρόνο ζωής της φτερωτής (σπηλαίωση). Η παράλληλη λειτουργία περισσότερων αντλιών πρέπει να ληφθεί υπ’ όψη κατά τη διαστασιολόγηση του αντλιοστασίου. Πρέπει να υπολογιστεί η συνισταμένη καμπύλη λειτουργίας του αντλητικού συγκροτήματος που προκύπτει από τις επιμέρους καμπύλες αν σε κάθε μανομετρικό αθροιστούν οι επιμέρους παροχές των αντλιών. Κατ’ αρχήν μπορούν να δουλέψουν παράλληλα και διαφορετικές αντλίες ακόμη και αντλίες με διαφορές σημαντικές στις παροχές που αντλούν, σε κάποιες όμως από τις περιπτώσεις δεν προκύπτει σχεδόν καμία αύξηση της αντλούμενης παροχής. Αντίθετα η παράλληλη λειτουργία περισσότερων αντλιών του ίδιου τύπου είναι δυνατή χωρίς προβλήματα. Η συνολικά βέβαια αντλούμενη παροχή είναι μικρότερη από το άθροισμα των επιμέρους παροχών των αντλιών που λειτουργούν παράλληλα αφού αυξάνεται η ταχύτητα ροής και άρα οι απώλειες τριβής στον καταθλιπτικό αγωγό. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι για παράλληλη λειτουργία περισσότερων αντλιών προκύπτει πιο «επίπεδη» καμπύλη λειτουργίας για το σύνολο των αντλιών που σημαίνει ότι για μικρές αυξήσεις των απωλειών τριβής μειώνεται δραστικά η αντλούμενη παροχή.

Σχήμα 8.5 : Παράλληλη λειτουργία τριών όμοιων αντλιών

108



Σχήμα 8.6 : Παράλληλη λειτουργία δύο ανόμοιων αντλιών

Σχήμα 8.7 : Παράλληλη λειτουργία δύο μη κατάλληλων αντλιών Στο σχήμα (8.5) εμφανίζεται σύστημα τριών όμοιων αντλιών σε παράλληλη λειτουργία με την καμπύλη λειτουργίας του συστήματος όπως αυτή προκύπτει από τον συνδυασμό των επιμέρους καμπυλών λειτουργίας. Στο σχήμα (8.6) εμφανίζεται σύστημα 2 αντλιών διαφορετικού τύπου σε παράλληλη λειτουργία και στο σχήμα (8.7) σύστημα 2 αντλιών διαφορετικού τύπου ακατάλληλων όμως για να συνδυαστούν σε παράλληλη λειτουργία. Στην περίπτωση του σχήματος 8.7 η παροχή, παρά την παράλληλη λειτουργία δεύτερης αντλίας, δεν αυξάνεται σχεδόν καθόλου.

109



8.4.1.2 Μορφή του στροφέα και διάμετρος διερχομένων Για την προώθηση των λυμάτων που περιέχουν και αιωρούμενα και καθιζάνοντα στερεά χρησιμοποιούνται διάφορα είδη στροφέων (δες σχ. 8.8 ως 8.11) που σαν στόχο έχουν την αποφυγή εμφράξεων. Οι φτερωτές καναλιού παρασκευάζονται σαν μονοκάναλες ή πολυκάναλες φτερωτές. Η μονοκάναλη αντλία έχει τα εξής χαρακτηριστικά (δες σχ.8.8) - σταθερή ελεύθερη διέλευση σφαίρας συγκεκριμένης διαμέτρου από αρχής μέχρι τέλους - βαθμός απόδοσης κατά κανόνα μικρότερος απ’ ότι στις πολυκάναλες - ο αριθμός των στροφών περιορίζεται σε λιγότερες από 1450/min, για μεγάλες αντλίες συστήνεται ο περιορισμός σε λιγότερες από 1000/min

Σχήμα 8.8 : Στροφέας μονοκάναλης αντλίας Η πολυκάναλη (σχ. 8.9) είναι κατά κανόνα δικάναλη ή τρικάναλη. Διαχωρίζεται από τις μονοκάναλες ως προς το ότι: -

επιτυγχάνονται μεγαλύτερα μανομετρικά

-

είναι εφικτός μεγαλύτερος αριθμός στροφών

-

λειτουργία με μεταβαλόμενες στροφές είναι λιγότερο προβληματική

-

είναι πιο αθόρυβες στη λειτουργία και με λιγότερους κραδασμούς

110



Είναι πιο επιρεπείς σε εμφράξεις διότι για τις ίδιες παροχές είναι μικρότερη η διάμετρος των διερχόμενων χωρίς πρόβλημα σωματιδίων.

Σχήμα 8.9 : Στροφέας πολυκάναλης αντλίας Οι αντλίες σπειροειδούς φτερωτής (δες σχ. 8.10) έχουν φτερωτή ημιαξονική ενός καναλιού με σπειροειδές ή κοχλιοειδές τμήμα εισόδου. Είναι ιδιαίτερα αθόρυβες και μπορούν να λειτουργήσουν άνετα στις 3000 στρ/min. Η φτερωτή ελεύθερης ροής (δες σχ. 8.11) επιδρά έμμεσα στο προς μεταφορά υγρό. Λειτουργεί επίσης στις 3000στρ/min και έχει χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας πιο επίπεδες ενώ ο βαθμός απόδοσής της είναι χαμηλότερος από τις υπόλοιπες φτερωτές.

Σχήμα 8.10 : Στροφέας αντλίας σπειροειδούς μορφής

111



Σχήμα 8.11 : Στροφέας αντλίας ελεύθερης ροής Όλες οι παραπάνω αντλίες μπορούν να λειτουργήσουν χωρίς την ύπαρξη σχάρας ανάντη και συνήθως μπορούν να λειτουργήσουν για πιέσεις: •

οι μονοκάναλες ως 4 bar

•

οι σπειρωειδούς φτερωτής ως 6 bar

•

οι πολυκάναλες ως 10 bar

•

οι ελεύθερης ροής ως 10 bar

Οι ταχύτητες του υγρού στις φτερωτές δεν πρέπει να είναι μικρότερες από 2m/s για αποφυγή έμφραξης. 8.4.1.3 Τρόπος τοποθέτησης της αντλίας Οι αντλίες μπορούν να τοποθετηθούν με τους εξής τρόπους: Στο σχήμα 8.12 φαίνεται ο τρόπος οριζόντιας τοποθέτησης αντλίας ξηρού τύπου. Ο κινητήρας είναι επικαθήμενος δημιουργώντας οικονομία χώρου. Στο σχήμα 8.13 φαίνεται ο τρόπος κάθετης τοποθέτησης αντλίας ξηρού τύπου. Η τοποθέτηση αυτή δίνει μεγαλύτερη ασφάλεια στον κινητήρα σε περίπτωση πλημμύρας, αφού ο κινητήρας είναι τοποθετημένος ψηλότερα. Στο σχήμα 8.14 φαίνεται η τοποθέτηση αντλίας υγρού τύπου. Στην περίπτωση αυτή αντλία και κινητήρας τοποθετούνται μέσα στο θάλαμο αναρρόφησης και για τον λόγο αυτό όλη η αντλία πρέπει να έχει κατασκευή αντιεκρηκτικού τύπου αφού είναι τοποθετημένη σε περιοχή επικίνδυνη για δημιουργία εκρήξεων.

112



Σχήμα 8.12 : Αντλία ξηρού τύπου τοποθετημένη οριζόντια με επικαθήμενο κινητήρα

Σχήμα 8.13 : Αντλία ξηρού τύπου τοποθετημένη κάθετα

113



Σχήμα 8.14 : Τομή αντλίας υγρού τοπίου, κάθετης τοποθέτησης 8.4.2 Κινητήρες Στη συντριπτική πλειοψηφία τους οι κινητήρες των αντλιών είναι ηλεκτροκινητήρες. Σπάνια υπάρχουν σε χρήση αντλίες με κινητήρα εσωτερικής καύσης. 8.4.2.1. Ηλεκτροκινητήρες Ο ηλεκτροκινητήρας πρέπει να μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις αιχμής του αντλητικού συγκροτήματος. Σε περιπτώσεις που αναμένεται μελλοντικά αύξηση του υδραυλικού φορτίου καλό είναι να υπάρχει περιθώριο ασφάλειας στον κινητήρα ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί σε τυχόν αναβάθμιση της αντλίας. Συνιστάται να εξασφαλίζονται τα εξής περιθώρια ασφάλειας στους κινητήρες των αντλιών. Απαίτηση ισχύος της αντλίας σε KW

Ποσοστό ασφάλειας στους κινητήρες

ως 7,5

~ 50%

7,5 – 20

~ 25%

20 – 50

~ 15%

>50

~ 10%

114



Είναι επιβεβλημένο για να αποφευχθούν πιθανά πλήγματα κριού αλλά και υψηλές φορτίσεις των κινητήρων να ληφθούν τα απαιτούμενα μέτρα. Σ’ αυτά ανήκει ο εκκινητής ομαλής εκκίνησης για τους κινητήρες τύπου κλωβού που αποτρέπει τα υψηλά φορτία στον κινητήρα. Επίσης ευνοϊκή για τέτοιες περιπτώσεις είναι η πρόβλεψη inverter (προσαρμοστή στροφών) για τον κινητήρα της αντλίας. 8.4.2.2. Απαιτούμενη ισχύς Η απαιτούμενη ισχύς Ν της αντλίας είναι μεγαλύτερη από την ωφέλιμη ισχύ αφού υπάρχουν απώλειες ενέργειας στην αντλία. Η εξίσωση 4 δίνει την απαιτούμενη ισχύ:

N=

Q ⋅ H μαν 75 ⋅ηαντ

όπου Q: Ημαν :

σε PS

ή

Ν=

Q ⋅ H μαν 102 ⋅ηαντ

σε KW

(4)

η παρoxή σε l/s το μανομετρικό σε m

Ο βαθμός απόδοσης της αντλίας ηαντ μπορεί να επιλέγεται κατ’ αρχήν από τον παρακάτω πίνακα:

Μονοκάναλη αντλία για παροχές ως 100l/s

0,50 – 0,70

για παροχές από 100 ως 300l/s

0,70 – 0,82

Ελικοειδείς αντλίες για παροχές από 100 ως 500l/s

0,75 – 0,85

για παροχές από 500l/s και άνω

0,80 – 0,90

Κοχλιοειδείς αντλίες

0,70 – 0,80

Για τον υπολογισμό της απαιτούμενης ισχύος στον κινητήρα μπορεί να γίνει χονδρικός υπολογισμός με συνολικό βαθμό απόδοσης ηαντ ⋅η k ίσο με 0,5, στον οποίο συμπεριλαμβάνονται τόσο ο βαθμός απόδοσης της αντλίας όσο και αυτός του κινητήρα της.

115



8.4.2.3. Σωλήνωσεις στο αντλιοστάσιο Για να είναι η λειτουργία των αντλιών ξηρού τύπου ανεμπόδιστη πρέπει ο αγωγός αναρρόφησης να έχει συνεχόμενη ανοδική πορεία προς την αντλία, ενώ η διάμετρός του πρέπει να είναι κατ’ ελάχιστον ίση με τη διάμετρο της εισαγωγής της αντλίας και οπωσδήποτε μεγαλύτερη από 100mm. Στην εξαγωγή προς τον καταθλιπτικό αγωγό πρέπει απαραίτητα να υπάρχει πρώτα μια βαλβίδα αντεπιστροφής και αμέσως μετά μια δικλείδα απομόνωσης. Επίσης στον αγωγό αναρρόφησης των αντλιών ξηρού τύπου απαιτείται δικλείδα απομόνωσης πριν από την είσοδο στην αντλία. Η συμβολή των εξαγωγών από τις αντλίες στον κεντρικό καταθλιπτικό πρέπει να γίνεται πάντα στην κατεύθυνση της ροής όπως δείχνει το σχήμα 8.15. Οι αγωγοί πρέπει να στηρίζονται επαρκώς ή να είναι αγκυρωμένοι ώστε να μη μεταφέρουν δυνάμεις στην αντλία. Στον χώρο των αντλιών προβλέπεται πάντοτε φρεάτιο αποστράγγισης με φορητή αντλία για αποφυγή πλημμύρας σε περίπτωση βλάβης.

Σχήμα 8.15 : Σύνδεση αγωγού εξόδου αντλίας στον καταθλιπτικό αγωγό

116



8.4.2.4. Βαλβίδες αντεπιστροφής Οι βαλβίδες αντεπιστροφής προφυλάγουν την αντλία στη φάση της διακοπής της λειτουργίας της, μη επιτρέποντας την επιστροφή των λυμάτων που έχουν ήδη αντληθεί. Πρέπει στη φάση της λειτουργίας των αντλιών να μη παρεμποδίζουν τη διέλευση των στερεών όπως αυτή προβλέπεται από την κατασκευή της φτερωτής της αντλίας. Ο πιο αποτελεσματικός τύπος βαλβίδας αντεπιστροφής παρουσιάζεται στο σχ. 8.16.

Σχήμα 8.16 : Βαλβίδα αντεπιστροφής (όψη – τομή) 8.4.2.5. Δικλείδα απομόνωσης του θαλάμου αναρρόφησης Απαραίτητο εξάρτημα του αγωγού προσαγωγής στο θάλαμο αναρρόφησης είναι η πρόβλεψη δικλείδας ή θυροφράγματος για τη δυνατότητα απομόνωσης του θαλάμου αναρρόφησης από την προσαγωγή λυμάτων. Η πρόβλεψη δυνατότητας απομόνωσης είναι απαραίτητη: -

για λόγους καθαρισμού του φρεατίου αναρρόφησης

-

για λόγους συντήρησης ή ελέγχου της κατάστασης του θαλάμου, των αισθητήρων στάθμης και άλλων μετρητικών συστημάτων

117



8.4.2.6. Εξαερισμός Τόσο η ανωδομή και ο στεγνός χώρος των αντλιών (εφ’ όσον είναι ξηρού τύπου) και των δικλείδων, όσο και ο ίδιος ο θάλαμος αναρρόφησης πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με σύστημα εξαερισμού. Από το μέγεθος και την υψομετρική τοποθέτηση του χώρου της ανωδομής ή του χώρου των αντλιών εξαρτάται το αν ο εξαερισμός θα είναι με ή χωρίς μηχανική υποστήριξη. Οι θάλαμοι αναρρόφησης απαιτούν μηχανική πρόσδοση αέρα και κατά περίπτωση και μηχανική υποστήριξη της εξαγωγής του αέρα στο περιβάλλον. 8.5. Μετρήσεις Απαραίτητες πληροφορίες πρέπει να καταγράφονται και να μετρώνται αξιόπιστα. Οι πληροφορίες αυτές και οι αντίστοιχες συσκευές είναι: -

μέτρηση στάθμης στο θάλαμο αναρρόφησης που γίνεται με σύστημα υπερήχων, ή ηλεκτρική μέτρηση πίεσης

-

μέτρηση πίεσης στην έξοδο από την αντλία που γίνεται με ηλεκτρικούς καταγραφείς προσαρμοσμένους πάνω στον καταθλιπτικό αγωγό

-

μέτρηση παροχών στον καταθλιπτικό αγωγό που υλοποιείται είτε με μαγνητικά παροχόμετρα είτε με παροχόμετρα που λειτουργούν με το σύστημα των υπερήχων. Τα δεύτερα έχουν μικρότερη ακρίβεια από τα πρώτα

8.6. Καταθλιπτικοί αγωγοί Ο καταθλιπτικός αγωγός θα πρέπει να εξετάζεται σαν ένα σύνολο μαζί με το αντλητικό συγκρότημα. Ο συσχετισμός των δύο εμφανίζεται τόσο στη χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας της αντλίας όσο και στις καμπύλες λειτουργίας του αγωγού. Ο καταθλιπτικός αγωγός πρέπει να είναι υπολογισμένος έτσι ώστε να μπορεί στη διάρκεια να παραλαμβάνει τόσο τις εσωτερικές όσο και τις εξωτερικές πιέσεις λειτουργίας.

118



Η χάραξη των καταθλιπτικών πρέπει να είναι η συντομότερη δυνατή στην κατεύθυνση ένωσης των σημείων αρχής και τέλους, με κατά το δυνατό ευθυτενή χάραξη για αποφυγή αύξησης των απωλειών, και υψομετρικά σε βάθος από 0,8 ως 1,5m. Στα υψηλά σημεία της μηκοτομής θα πρέπει να προβλέπονται βαλβίδες εξαερισμού, ενώ στα χαμηλά θα πρέπει να παρέχεται η δυνατότητα εκκένωσης του αγωγού όταν αυτό κρίνεται απαραίτητο. Ιδίως όταν υπάρχει μεγάλη διακύμανση των παροχών αλλά και για λόγους ασφάλειας απέναντι σε βλάβη προτείνεται συνήθως η κατασκευή δίδυμου καταθλιπτικού αγωγού. Η υδροστατική πίεση προκύπτει από την υψομετρική διαφορά που καλείται η αντλία να υπερνικήσει. Πρόσθετη υδραυλική δυναμική επιβάρυνση προκύπτει από την ανάγκη υπερνίκησης των απωλειών τριβής αλλά και την ανάπτυξη των μη μόνιμων πιέσεων του πλήγματος κριού. 8.7. Επιλογή οικονομικής διαμέτρου καταθλιπτικού αγωγού Οικονομική διάμετρος χαρακτηρίζεται εκείνη, με την επιλογή της οποίας ελαχιστοποιείται το άθροισμα των εξόδων κατασκευής και λειτουργίας για συγκεκριμένο χρόνο ζωής των έργων. Προκειμένου να γίνει πλήρης ο υπολογισμός ως εκ τούτου και με δεδομένο τον μεγάλο χρόνο ζωής των αγωγών (50 έτη), γίνονται εκτιμήσεις τόσο της αναμενόμενης εξέλιξης στις παροχές αλλά και των αναμενόμενων επιτοκίων δανεισμού μελλοντικά. Εκτιμήσεις επίσης γίνονται για το κόστος ενέργειας κατά τη λειτουργία του αντλιοστασίου. Να σημειωθεί τέλος ότι η μεν δυναμικότητα του αντλιοστασίου είναι δυνατόν με μικρά σχετικά έξοδα να αναβαθμιστεί, ενώ αντίθετα η αύξηση της παροχετευτικότητας του καταθλιπτικού αγωγού είναι ιδιαίτερα δύσκολη υπόθεση, έτσι ώστε κατά τα πρώτα έτη λειτουργίας ο καταθλιπτικός αγωγός ενδεχόμενα να μη λειτουργεί με εξαντλημένη την υδραυλική του ικανότητα. Στο σχήμα 8.17 φαίνονται οι καμπύλες εκτίμησης του κόστους αρχικής επένδυσης και εξόδων λειτουργίας σε συνάρτηση με την επιλεγόμενη διάμετρο καθώς και το συνολικό

κόστος. Είναι

προφανές ότι το χαμηλό σημείο της αθροιστικής καμπύλης των δύο εξόδων υποδεικνύει και την οικονομικότερη διάμετρο για τον καταθλιπτικό αγωγό.

119



Σχήμα 8.17 : Συναρτήσεις κόστους για την κατασκευή, τη λειτουργία και για το σύνολο κατασκευής και λειτουργίας 8.8. Παραδείγματα σχεδιασμού αντλιοστασίων ακαθάρτων Στα σχέδια 8.18 και 8.19 έχουν καταχωρηθεί δύο παραδείγματα αντλιοστασίων. Στο σχέδιο 8.18 είναι σχεδιασμένο αντλιοστάσιο ακαθάρτων με αντλίες υγρού τύπου και ανωδομή στην οποία υπάρχει εγκατάσταση απόσμησης και ηλεκτρικός πίνακας καθώς και ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος για την απρόσκοπτη λειτουργία του αντλιοστασίου. Στο σχέδιο 8.19 το αντλιοστάσιο είναι τύπου φρεατίου, δηλαδή χωρίς ανωδομή και με αντλίες υγρού τύπου.

120



ΚΑΤΟΨΗ ΙΣΟΓΕΙΟΥ

ΦΡΕΑΤΙΟ ΔΙΚΛΕΙΔΩΝ Αγωγός κατάθλιψης

Δικλείδα Αντεπίστροφη βαλβίδα

Δεξαμενή καυσίμων

ΧΩΡΟΣ H/Z Μπακλαβωτή λαμαρίνα

ΧΩΡΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ

ΤΟΜΗ

Πλινθοδομή ΦΡΕΑΤΙΟ ΔΙΚΛΕΙΔΩΝ ΧΩΡΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ

Αντεπίστροφη βαλβίδα Δικλείδα

Οπλισμένο Σκυρόδεμα Από εσωτερικό δίκτυο ακαθάρτων

Άοπλο Σκυρόδεμα

Σχέδιο 8.18 : Αντλιοστάσιο ακαθάρτων με αντλίες υγρού τύπου και ανωδομή

121



ΚΑΤΟΨΗ

H/Z

ΤΟΜΗ

Σχέδιο 8.19 : Αντλιοστάσιο τύπου φρεατίου

122


9. ΔΙΚΤΥΑ ΑΠΟΧΕΤΕΥΣΗΣ ΟΜΒΡΙΩΝ – Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ

9. ΔΙΚΤΥΑ ΑΠΟΧΕΤΕΥΣΗΣ ΟΜΒΡΙΩΝ – Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Με τον όρο δημιουργία της απορροής εννοούμε τη διαδικασία του υπολογισμού της ενεργής βροχής ή αλλιώς της βροχής που παράγει απορροή, ύστερα από την αφαίρεση των κάθε είδους απωλειών από την προσπίπτουσα βροχή. Η απορροή καταλήγει στα δίκτυα αποχέτευσης ή στους φυσικούς αποδέκτες. Αναφορικά με τις μεθόδους προσέγγισης του φαινομένου πρέπει να διακρίνουμε ανάμεσα στις παραδοσιακές μεθόδους υπολογισμού, όπως για παράδειγμα η ορθολογική μέθοδος και τις πλέον εξελιγμένες μεθόδους υπολογισμού που χρησιμοποιούνται στα μαθηματικά μοντέλα περιγραφής της ροής μέσα στα δίκτυα αποχέτευσης που παρακολουθούν αναλυτικά το φαινόμενο μετατροπής της βροχής σε απορροή, διαχωρίζοντας μεταξύ απορροής από διαπερατές και απορροής από αδιαπέρατες επιφάνειες. Έτσι θα γίνει αναφορά στη συνέχεια: -

στην ορθολογική μέθοδο

-

στον υπολογισμό στα μαθηματικά μοντέλα της απορροής από αδιαπέρατες επιφάνειες

-

στον υπολογισμό στα μαθηματικά μοντέλα της απορροής από διαπερατές επιφάνειες

9.1. Ορθολογική μέθοδος Στην περίπτωση της ορθολογικής μεθόδου η βροχή μετατρέπεται στην απορρέουσα, η οποία αποκαλείται και «ενεργή», μετά από πολλαπλασιασμό με το συντελεστή απορροής που είναι μέγεθος ≤ 1, περιγράφοντας έτσι με ένα μόνο αριθμό το ύψος των απωλειών σε ποσοστό του συνολικού ύψους της βροχής. Ο στόχος στην περίπτωση αυτή είναι η κατά το δυνατόν ακριβέστερη προσέγγιση της τιμής του συντελεστή απορροής για κάθε εφαρμογή. Στην πραγματικότητα ο συντελεστής απορροής εκφράζει το πηλίκο του απορρέοντος προς τον συνολικό όγκο της βροχής που πέφτει πάνω στην εξεταζόμενη επιφάνεια. Θα πρέπει να διαχωρίσουμε ανάμεσα: -

στον συνολικό ή μέσο συντελεστή απορροής ενός φαινομένου ψm

-

στον μέγιστο συντελεστή απορροής ενός φαινομένου ψS

123



Ο πρώτος (ψm ή μέσος συντελεστής) ορίζεται σαν η σχέση του όγκου που απορρέει προς τον όγκο της βροχής συνολικά. Ο δεύτερος (ψS ή μέγιστος συντελεστής απορροής) ορίζεται σαν ο λόγος της μέγιστης παρατηρούμενης παροχής (l/s.ha) προς την ένταση μιας βροχής ομοιόμορφης έντασης εκφρασμένης σε (l/s.ha) που προσπίπτει σε συγκεκριμένη επιφάνεια. Αν για παράδειγμα έχει μετρηθεί η απορροή που προκαλεί σε μια επιφάνεια 50ha, βροχή διάρκειας 10min και έντασης 100 l/s.ha και έχει βρεθεί ότι ο συνολικά απορρέων όγκος είναι 2.200m3 τότε ο μέσος συντελεστής απορροής ψm είναι:

ψm =

2200m 3 2200 = = 0,73 50ha ⋅ 100l / s.ha ⋅ 10 ⋅ 60 3000 1000

Αν η μέγιστη μετρηθείσα τιμή παροχής είναι Q=4250 l/s, τότε ο μέγιστος συντελεστής απορροής είναι :

ψS =

4250l / s = 0,85 100l / s.ha ⋅ 50ha

Η μορφή των επιφανειών (αν πρόκειται για στέγες, οδούς, χώρους πάρκιγκ κ.λπ.), η κλίση των επιφανειών απορροής αλλά και η πυκνότητα της δόμησης διαφοροποιούν τις τιμές του μέγιστου συντελεστή απορροής. Ενώ ο μέγιστος συντελεστής απορροής είναι το απαραίτητο μέγεθος για τη διαστασιολόγηση των δικτύων αποχέτευσης, ο μέσος συντελεστής απορροής είναι το κατάλληλο μέγεθος για τον υπολογισμό του συνολικά απορρέοντος όγκου σε ένα συγκεκριμένο επεισόδιο βροχής. Στην ορθολογική μέθοδο η βροχή μετασχηματίζεται σε απορροή με την απλή σχέση

Q =ψ S ⋅i ⋅ A

(1)

όπου Q: η παροχή αιχμής ή παροχή υπολογισμού (l/s) i: η μέση ένταση της βροχής (l/s.ha) Α: η έκταση της λεκάνης απορροής ή της επιφάνειας που αποχετεύεται (ha) και

ψS: ο μέγιστος συντελεστής απορροής (-)

124



Για το σωστό υπολογισμό της παροχής αιχμής, προκειμένου αυτός να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των δικτύων, απαιτούνται: •

ο σωστός προσδιορισμός της λεκάνης απορροής και η εμβαδομέτρησή της

•

η σωστή εκτίμηση του συντελεστή απορροής, η οποία εμπεριέχει σωστή εκτίμηση του κάθε είδους απωλειών (αρχικές απώλειες, απώλειες κατακράτησης ανωμαλιών, απώλειες διήθησης, κ.λπ.)

•

η σωστή επιλογή της έντασης της βροχής συγκεκριμένης διάρκειας και συγκεκριμένης περιόδου επαναφοράς. Είναι γνωστό ότι οι έντονες βροχοπτώσεις έχουν μικρή διάρκεια, ενώ οι ασθενέστερες μεγαλύτερη διάρκεια.

9.1.1. Περίοδος επαναφοράς Ο βαθμός προστασίας που παρέχει ένα δίκτυο αποχέτευσης περιγράφεται από την περίοδο επαναφοράς του επεισοδίου βροχής που μπορεί το δίκτυο να παροχετεύσει χωρίς προβλήματα. Όσο μεγαλύτερη είναι η περίοδος επαναφοράς για την οποία έχει σχεδιαστεί το δίκτυο, τόσο μεγαλύτερη είναι η προστασία που αυτό παρέχει. Για παράδειγμα ένα δίκτυο που έχει σχεδιαστεί με περίοδο επαναφοράς Τ = 5 αστοχεί κατά μέσο όρο μια φορά ανά 5 χρόνια, ενώ αν σχεδιαστεί με Τ = 10 αστοχεί κατά μέσο όρο μια φορά στα 10 χρόνια. Επισημαίνεται ότι η αστοχία του δικτύου σημαίνει ανεπαρκή αποχέτευση του συνόλου της απορροής και όχι καταστροφή του δικτύου. Είναι προφανές ότι η αύξηση της περιόδου επαναφοράς σχεδιασμού συνεπάγεται αύξηση του κόστους του δικτύου, με παράλληλη μείωση των καταστροφών που προκαλούνται σε περίπτωση αστοχίας, καθώς και της συχνότητας των καταστροφών αυτών. Έτσι, η επιλογή της εφαρμοστέας περιόδου επαναφοράς στην ουσία είναι ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης του αθροίσματος του κόστους κατασκευής και του κόστους επανόρθωσης των ζημιών. Στην πράξη όμως είναι αρκετά δύσκολη η εκτίμηση του κόστους των ζημιών, και για το λόγο αυτό συνήθως υιοθετούνται κάποιες τυπικές τιμές που είναι προϊόντα μακροχρόνιας εμπειρίας των μελετητών. Οι τυπικές αυτές τιμές της περιόδου επαναφοράς είναι: 1. Για αγωγούς σε οικιστικές περιοχές 2 έως 15 χρόνια, με πιο συχνή τιμή Τα=5 χρόνια. 2. Για αγωγούς σε εμπορικές περιοχές και κεντρικούς συλλεκτήρες Τ=10 έως 50 χρόνια. 3. Για αντιπλημμυρικά έργα και διευθετήσεις υδατορευμάτων Τ=50 χρόνια ή περισσότερο.

Ορισμένοι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή της περιόδου επαναφοράς μπορούν να κωδικοποιηθούν ως εξής : 125



α. Σε υφιστάμενους αγωγούς, οταν ελέγχεται η επάρκειά τους χρησιμοποιούνται μικρές τιμές της περιόδου επαναφοράς, π.χ. 2 χρόνια β. Σε μελλοντικούς αγωγούς, όταν κρίνεται ότι δεν θα είναι εύκολη η ενίσχυση τους, χρησιμοποιούνται μεγαλύτερες τιμές της περιόδου επαναφοράς. γ. Σε κεντρικούς συλλεκτήρες υπάρχει η τάση να υιοθετούνται μεγαλύτερες περίοδοι επαναφοράς από τις αντίστοιχες των δευτερευόντων αγωγών. Για παράδειγμα σε μια περιοχή όπου υιοθετείται γενικά για το δίκτυο η τιμή Τ = 5, για τους κεντρικούς συλλεκτήρες μπορεί να υιοθετηθεί η τιμή Τ = 10. δ. Σε παντορροϊκά δίκτυα αποχέτευσης χρησιμοποιούνται μεγαλύτερες περίοδοι επαναφοράς, παρά σε χωριστικά, δεδομένου ότι οι καταστροφές που θα προκληθούν σε περίπτωση αστοχίας των πρώτων είναι σαφώς μεγαλύτερες (π.χ. πλημμυρίσματα υπογείων). ε. Σε αγωγούς που τοποθετούνται κάτω από κύριες οδικές αρτηρίες και κόμβους, υιοθετούνται μεγαλύτερες τιμές της περιόδου επαναφοράς. Ιδιαίτερα όταν οι αρτηρίες ή οι κόμβοι τοποθετούνται σε όρυγμα, οπότε δημιουργούνται αυξημένοι κίνδυνοι για αυτούς που τις χρησιμοποιούν, υιοθετούνται περίοδοι επαναφοράς αρκετά μεγαλύτερες από τα παραπάνω όρια, ανάλογα με το βαθμό του κινδύνου. στ. Σε βασικά αντιπλημμυρικά έργα, όπως στη διευθέτηση υδατορευμάτων μέσα στην περιοχή μελέτης, των οποίων η αστοχία θα μπορούσε να προκαλέσει απώλεια ανθρώπινων ζωών, θα πρέπει να υιοθετούνται πολύ αυξημένες τιμές της περιόδου επαναφοράς, π.χ. Τ = 1 000 έως 10 000. Σε ακραίες περιπτώσεις όπου η αστοχία θα οδηγούσε σε μείζονες καταστροφές με μαζική απώλεια ζωών συνήθως εγκαταλείπεται η πιθανοτική προσέγγιση και ακολουθείται η μέθοδος της πιθανής μέγιστης βροχής και πλημμύρας. Είναι αυτονόητο ότι η περίοδος επαναφοράς είναι διαφορετική από την περίοδο σχεδιασμού των έργων. Η τελευταία μπορεί να θεωρείται όση και στα δίκτυα ακαθάρτων, δηλαδή 40-50 χρόνια. 9.1.2. Όμβριες καμπύλες Η ένταση της βροχής, η διάρκειά της και η περίοδος επαναφοράς της συνδέονται μεταξύ τους με σχέση, η οποία ονομάζεται όμβρια καμπύλη. Οι καμπύλες αυτές εξαρτώνται από την εκάστοτε περιοχή μελέτης και πρέπει να υπολογιστούν από τα βροχομετρικά δεδομένα της περιοχής μελέτης, ώστε να είναι δυνατή η εκτίμηση των παροχών με τη βοήθεια της ορθολογικής μεθόδου.

126



Δεν υφίστανται καμπύλες γενικής εφαρμογής, οι οποίες να είναι ανεξάρτητες των τοπικών συνθηκών. Πολύ περισσότερο, στα πλαίσια των κλιματικών αλλαγών ακόμη και για την ίδια περιοχή παρατηρείται αλλαγή στη μορφή των καμπυλών αυτών. Η επεξεργασία των δεδομένων των βροχογράφων γίνεται με τη βοήθεια στατιστικής μεθοδολογίας ανάλυσης μεγίστων και παλινδρόμησης. Για δεδομένη περίοδο επαναφοράς οι όμβριες καμπύλες μπορούν να περιγραφούν από εξισώσεις: •

•

•

Υπερβολικής μορφής

i=

c t +b

(2)

i=

c tn

(3)

c (t + b) n

(4)

Εκθετικής μορφής

Μικτές

i= ή

i=

c t +b n

(5)

όπου i και t, ένταση και διάρκεια αντίστοιχα της βροχής και c,b,n αριθμητικές σταθερές που ισχύουν για την κάθε περιοχή και για συγκεκριμένη περίοδο επαναφοράς Τ. Οι σταθερές b και n θεωρούνται ανεξάρτητες της περιόδου επαναφοράς ενώ η σταθερά c συσχετίζεται με την περίοδο επαναφοράς Τ, με εξισώσεις που έχουν τη μορφή:

c = a ⋅T m

(6)

όπου a,m αριθμητικές σταθερές. Ο συνδυασμός της σχέσης (6) με τις σχέσεις (2) ως (5) δίνει γενικευμένες εξισώσεις της μορφής i=f(t,T). Κάθε σχέση μιας εκ των παραπάνω μορφών πρέπει πάντα να συνοδεύεται από τις μονάδες στις οποίες είναι εκφρασμένα τα μεγέθη i και t. 127



9.1.3. Κρίσιμη ένταση της βροχής – Χρόνος συγκέντρωσης Αφού επιλεγεί η περίοδος επαναφοράς και καθοριστεί η διάρκεια βροχής υπολογισμού είναι δυνατός ο υπολογισμός της κρίσιμης έντασης της βροχής υπολογισμού από τις όμβριες καμπύλες. Στην περίπτωση εφαρμογής της ορθολογικής μεθόδου γίνεται η παραδοχή ότι η κρίσιμη βροχή έχει διάρκεια ίση με το χρόνο συγκέντρωσης από το πιο απομακρυσμένο σημείο της λεκάνης απορροής ως το σημείο ελέγχου. Στην παραδοχή αυτή οδηγούμαστε με τους εξής συλλογισμούς: -

Για δεδομένη ένταση βροχής είναι προφανές ότι η απορροή φτάνει τη μέγιστη τιμή της όταν η διάρκεια της βροχής είναι ίση με το χρόνο συγκέντρωσης και από το πιο απομακρυσμένο τμήμα, οπότε συνεισφέρουν όλα τα τμήματα της λεκάνης στο σχηματισμό της απορροής.

-

Επειδή για δεδομένη περίοδο επαναφοράς η τιμή της έντασης της βροχής είναι φθίνουσα συνάρτηση της διάρκειας, οποιαδήποτε βροχή μεγαλύτερης διάρκειας από το χρόνο συγκέντρωσης θα οδηγεί σε μικρότερη απορροή.

Η μόνη περίπτωση αστοχίας είναι να είναι τελείως ακανόνιστο το σχήμα της λεκάνης απορροής, με κάποιο σχετικά μικρό σε επιφάνεια τμήμα με μεγάλη όμως απόσταση από το σημείο ελέγχου που θα μπορούσε να οδηγήσει στην εσφαλμένη παραδοχή, ότι η κρίσιμη βροχή είναι αυτή με διάρκεια ίση με τον χρόνο συρροής από το πιο απομακρυσμένο σημείο.

Σχήμα 9.1 : Ακανόνιστο σχήμα λεκάνης απορροής. Απαιτείται προσοχή στον υπολογισμό της κρίσιμης βροχής και της κρίσιμης παροχής υπολογισμού. 128



Μια τέτοια περίπτωση απεικονίζεται στο σχήμα 9.1. Στα δίκτυα αποχέτευσης ομβρίων ο χρόνος συγκέντρωσης tσ προκύπτει από την άθροιση του χρόνου εισόδου te, δηλαδή του χρόνου που χρειάζεται ώστε η απορροή να οδηγηθεί στο δίκτυο και του χρόνου ροής tρ κατά μήκος των αγωγών του δικτύου μέχρι το σημείο ελέγχου. Ο χρόνος εισόδου είναι το μέγεθος που πρέπει να εκτιμηθεί και εξαρτάται από πολλά μεγέθη: - από την κλίση του εδάφους - από το μήκος της διαδρομής μέχρι την είσοδο στο δίκτυο - από την ένταση της βροχής και τις συνθήκες κατακράτησης και διήθησης - από άλλες πολεοδομικές ή ρυμοτομικές συνθήκες Συνήθεις χρόνοι εισόδου είναι από 3 ως 30min με πιο συνηθισμένες τιμές από 5 ως 15min. Στον πίνακα που ακολουθεί έχουμε τυπικές τιμές χρόνου εισόδου από ελληνικές και ξένες προδιαγραφές.

Περιγραφή περιοχής Ελληνικές προδιαγραφές (Π.Δ.696/74)

Χρόνος εισόδου (min) 10

Συστάσεις αμερικάνικων ενώσεων - πυκνοδομημένες περιοχές - περιοχές με ήπιες κλίσεις, αναπτυγμένες - περιοχές οικιστικές με ήπιες κλίσεις για λίγα φρεάτια υδροσυλλογής

5 10 - 15 20 - 30

Πίνακας 9.1 : Τυπικές τιμές χρόνου εισόδου της απορροής στα δίκτυα ομβρίων. Οι γερμανικοί κανονισμοί προτείνουν χρόνους συρροής ανάλογους με την κλίση της επιφάνειας απορροής ως την είσοδο στο δίκτυο με τους οποίους γίνεται ουσιαστικά και η επιλογή της διάρκειας της κρίσιμης βροχόπτωσης για τους αρχικούς αγωγούς. Έτσι προτείνεται:

129



- κατηγορία κλίσης 1 (<1%) για ≤50% αδιαπέρατες επιφάνειες - κατηγορία κλίσης 1 (<1%) για > 50% αδιαπέρατες επιφάνειες - κατηγορία κλίσης 2,3 (>1%, <10%) - κατηγορία κλίσης 4 (>10%) για < 50% αδιαπέρατες επιφάνειες - κατηγορία κλίσης 4 (>10%) για > 50% αδιαπέρατες επιφάνειες

T = 15 min T = 10 min T = 10 min T = 10 min T = 5 min

Σε αντίθεση με τις τιμές του χρόνου εισόδου, ο χρόνος ροής μέσα στο δίκτυο μπορεί να υπολογιστεί με μεγάλη προσέγγιση από την άθροιση των χρόνων ροής σε κάθε έναν από τους αγωγούς, αφού η ταχύτητα ροής σε κάθε έναν από αυτούς και το αντίστοιχο μήκος είναι μεγέθη γνωστά. Σε περιπτώσεις που ενδιαφέρει ο προσδιορισμός του χρόνου εισόδου εξωτερικών λεκανών, εφαρμόζονται τύποι και μέθοδοι, οι οποίες παρουσιάζονται σε επόμενο κεφάλαιο.

9.1.4. Ο συντελεστής απορροής Η τιμή του συντελεστή απορροής εξαρτάται: - από το ποσοστό των αδιαπέρατων επιφανειών (στέγες, δρόμοι, κ.λπ.) - από την κλίση της αποχετευόμενης επιφάνειας (σε εντονότερες κλίσεις, αυξάνεται ο συντελεστής απορροής) - από την ένταση και τη διάρκεια της βροχής Στο σχήμα (9.2) ποσοτικοποιείται η εξάρτηση της τιμής του συντελεστή απορροής από την κλίση της επιφάνειας απορροής αλλά και από την ένταση της βροχόπτωσης 15min για διάφορους χρόνους επαναφοράς για τις τέσσερεις κατηγορίες κλίσης της επιφάνειας απορροής.

130



Σχήμα 9.2 : Συντελεστές απορροής ψS σε συσχέτιση με

την ένταση της βροχής, για διάρκεια

βροχής 15min, και την κλίση της επιφάνειας απορροής Η κλίση της αποχετευόμενης επιφάνειας έχει κωδικοποιηθεί ώστε η κάθε επιφάνεια να μπορεί να ενταχθεί σε μια από τις 4 κατηγορίες που δημιουργήθηκαν. Κατηγορία

Μέση κλίση επιφάνειας J

1

J < 1%

2

1% ≤ J ≤ 4%

3

4% < J ≤ 10%

4

J >10%

Στον πίνακα 9.2 έχουν καταχωρηθεί οι τιμές του συντελεστή απορροής που προτείνονται από τις γερμανικές προδιαγραφές για τις 4 κατηγορίες κλίσεων της αποχετευόμενης επιφάνειας, για κρίσιμη 131



βροχόπτωση διάρκειας 15 min και έντασης ίσης με 100 l/s.ha ή 130 l/s.ha και για διαφορετικά ποσοστά αδιαπέρατων επιφανειών (%) στο σύνολο της

αποχετευόμενης επιφάνειας. Είναι

προφανές ότι η τιμή του συντελεστή αυξάνεται αναλογικά με την αύξηση των αδιαπέρατων επιφανειών, ενώ είναι ανύπαρκτη η διαφοροποίηση των τιμών για τις δύο τιμές εντάσεων της βροχής στην κατηγορία 1 και πιο σημαντική για τις υπόλοιπες κατηγορίες και κυρίως στα μικρότερα ποσοστά αδιαπέρατων επιφανειών. Ποσοστό

Κατηγορία 1




αδιαπέρατων

J < 1%

1%≤ J≤4%

4%< J≤10%

J>10%

επιφανειών

για r15[l/(s.ha)] ίσο με

[%] 100

130

100

130

100

130

100

130

0

0,00

0,00

0,10

0,15

0,15

0,20

0,20

0,30

10

0,09

0,09

0,18

0,23

0,23

0,28

0,28

0,37

20

0,18

0,18

0,27

0,31

0,31

0,35

0,35

0,43

30

0,28

0,28

0,35

0,39

0,39

0,42

0,42

0,50

40

0,37

0,37

0,44

0,47

0,47

0,50

0,50

0,56

50

0,46

0,46

0,52

0,55

0,55

0,58

0,58

0,63

60

0,55

0,55

0,60

0,63

0,62

0,65

0,65

0,70

70

0,64

0,64

0,68

0,71

0,70

0,72

0,72

0,76

80

0,74

0,74

0,77

0,79

0,78

0,80

0,80

0,83

90

0,83

0,83

0,86

0,87

0,86

0,88

0,88

0,89

100

0,92

0,92

0,94

0,95

0,94

0,95

0,95

0,96

Πίνακας 9.2 : Τιμές του συντελεστή απορροής ανάλογα με τη μέση κλίση και το ποσοστό αδιαπέρατων επιφανειών της λεκάνης απορροής και την ένταση της βροχής υπολογισμού Στον πίνακα 9.3 δίνονται οι συντελεστές απορροής ανάλογα με τα γενικά χαρακτηριστικά της αστικής περιοχής σύμφωνα με την αμερικανική βιβλιογραφία. Περιγραφή περιοχής Εμπορική Κέντρο Περιφέρεια Οικιστική, αστική Μονοκατοικίες Πολυκατοικίες σε πανταχόθεν ελεύθερο σύστημα Πολυκατοικίες σε συνεχές σύστημα

Συντελεστής απορροής 0.70 – 0.95 0.50 – 0.70 0.30 – 0.50 0.40 – 0.60 0.60 – 0.75 132



Οικιστική, υποαστική Βιομηχανική Ελαφρά Βαριά Μη ανεπτυγμένη Πάρκα, νεκροταφεία Γήπεδα

0.25 – 0.40 0.50 – 0.80 0.60 – 0.90 0.10 – 0.30 0.10 – 0.25 0.20 – 0.35

Πίνακας 9.3 : Μέσοι συντελεστές απορροής ανάλογα με τα γενικά χαρακτηριστικά της αστικής περιοχής (αμερικάνικη βιβλιογραφία) Τέλος στον πίνακα 9.4 δίνονται συντελεστές απορροής για συγκεκριμένες επιφάνειες σύμφωνα με την αμερικάνικη βιβλιογραφία. Τύπος επιφάνειας Πεζοδρόμια δρόμοι Σκυρόδεμα – Ασφαλτοσκυρόδεμα Πλίνθοι Στέγες Αγροί, αμμώδη εδάφη Ήπια κλίση, 2% Μέση κλίση, 2% μέχρι 7% Απότομη κλίση, 7% Αγροί, βαριά εδάφη Ήπια κλίση, 2% Μέση κλίση, 2% μέχρι 7% Απότομη κλίση, 7%

Συντελεστής απορροής 0.70 – 0.95 0.70 – 0.85 0.75 – 0.95 0.05 – 0.10 0.10 – 0.15 0.15 – 0.20 0.13 – 017 0.18 – 0.22 0.25 – 0.35

Πίνακας 9.4 : Συντελεστής απορροής για συγκεκριμένες επιφάνειες σύμφωνα με αμερικανικά δεδομένα 9.1.5. Υπολογισμός της παροχής Πρώτο βήμα του υπολογισμού αποτελεί η επιλογή της περιόδου επαναφοράς Τ και της διάρκειας της βροχής υπολογισμού t. Η περίοδος επαναφοράς επιλέγεται όπως αναφέρθηκε ήδη με βάση τη σπουδαιότητα του διαστασιολογούμενου δικτύου. Το δεύτερο βήμα είναι η γνώση των κλίσεων των αποχετευόμενων επιφανειών αλλά και των αγωγών αποχέτευσης. Απλοποιητικά και για περίπου ομοιόμορφες επιφάνειες απορροής γίνεται η παραδοχή ότι τη μεγαλύτερη παροχή απορροής προκαλεί βροχή της οποίας η διάρκεια t είναι ίση περίπου με το άθροισμα του χρόνου συρροής ως την είσοδο του δικτύου (συνήθως 5 ως 15min) και του υπολογιζόμενου χρόνου ροής από το πιο απομακρυσμένο τμήμα του δικτύου ως τον ελεγχόμενο αγωγό. 133



Η επιλεγείσα κατ’ αρχήν διάρκεια της βροχής υπολογισμού (π.χ. t = 15min) και ως εκ τούτου η αντίστοιχη ένταση της βροχής υπολογισμού χρησιμοποιείται όσο το άθροισμα του χρόνου συρροής ως την εξεταζόμενη διατομή είναι μικρότερο ή ίσο της διάρκειας της βροχής. Για μεγαλύτερους χρόνους συρροής χρησιμοποιείται στον υπολογισμό κρίσιμη βροχή μεγαλύτερης αντίστοιχα διάρκειας, της οποίας όμως η ένταση είναι κατά τι μικρότερη από την προηγούμενη. Στα μοντέλα μαθηματικής προσέγγισης του φαινομένου της απορροής στα δίκτυα ομβρίων, όπου είναι δυνατή η χρήση βροχών με διαφορετική ένταση για κάθε χρονικό βήμα είναι προφανές ότι απαιτείται η επιλογή περισσότερων της μιας βροχών με διάφορες διακυμάνσεις της έντασης για ίδιο συνολικό ύψος βροχής ώστε να εντοπισθεί η πλέον κρίσιμη, για το εξεταζόμενο δίκτυο, κατανομή της έντασης στο χρόνο διάρκειάς της. 9.2.

Υπολογισμός της απορροής από αδιαπέρατες επιφάνειες στα μαθηματικά μοντέλα

Στα μαθηματικά μοντέλα η δημιουργία της απορροής προσομοιώνεται σαν μια διαδικασία που μεταβάλλεται σε συνάρτηση με την ώρα. Για κάθε υποδιαίρεση της βροχής, η οποία σημειωτέον στα μαθηματικά μοντέλα αντιμετωπίζεται σαν σύνολο βημάτων για το κάθε ένα από τα οποία υπάρχει διαφορετικό ύψος βροχής και ως εκ τούτου και έντασης, υπολογίζεται μετά από την αφαίρεση των απωλειών το ύψος της «ενεργού» βροχής. Στις συνήθεις περιπτώσεις, όπου ενδιαφέρει μόνο η προσομοίωση του φαινομένου της απορροής για ένα συγκεκριμένο γεγονός βροχής, δεν λαμβάνεται υπ’ όψη η προϊστορία, δηλαδή πόσες ώρες ή ημέρες πριν είχε πέσει η τελευταία βροχή και ποια ήταν τα χαρακτηριστικά της. Στην περίπτωση αυτή η απορροή εξαρτάται μόνο από το υπό εξέταση γεγονός. Στις περιπτώσεις όμως που το φαινόμενο της απορροής παρακολουθείται και προσομοιώνεται για μεγαλύτερη χρονική διάρκεια, π.χ. σε ετήσια βάση, είναι προφανές, ότι η προϊστορία κάθε φαινομένου βροχής έχει τη σημασία της, αφού οι απώλειες επηρεάζονται από την χρονική απόσταση του προηγούμενου φαινομένου. 9.2.1. Απώλειες από αδιαπέρατες αστικές επιφάνειες Οι κυριότερες απώλειες που απομειώνουν το ύψος της βροχής που προσπίπτει σε αδιαπέρατες αστικές επιφάνειες είναι: 134



- οι απώλειες διαβροχής ή αρχικές απώλειες Vb (mm) - οι απώλειες πλήρωσης των ανωμαλιών Vm (mm) - οι διαρκείς απώλειες

Vd (mm)

Το σχήμα 9.3 παρουσιάζει ποιοτικά την χρονική εξέλιξη των τριών παραπάνω μεγεθών.

Σχήμα 9.3: Σχηματική αναπαράσταση της χρονικής εξέλιξης των απωλειών σε αδιαπέρατες επιφάνειες Οι απώλειες διαβροχής ή αρχικές απώλειες εμφανίζονται στην αρχή κάθε φαινομένου και για ένα σύντομο διάστημα απορροφούν στην αρχική φάση της βροχής σε απώλειες ένα μικρό ύψος βροχής, έτσι ώστε ένα μικρό πρώτο τμήμα του φαινομένου να μην οδηγεί σε απορροή. Οι επικλινείς στέγες είναι οι πρώτες επιφάνειες που μετά την κάλυψη των απωλειών διαβροχής δίνουν απορροή. Από μετρήσεις που έγιναν στη Γερμανία (π.χ. PAULSEN 1983) εκτιμήθηκε το ύψος των απωλειών διαβροχής κατά μέσο όρο στα Vb=0,3mm για τις στέγες και στα Vb=0,75mm για τους δρόμους. Σαν συνολικό μέγεθος προτείνεται από τον PAULSEN (1986) ύψος απωλειών διαβροχής ίσο με 0,4mm. Οι διαρκείς απώλειες περιγράφουν τις απώλειες, οι οποίες είναι σταθερές σε όλη τη διάρκεια του φαινομένου της βροχής και αφορούν κυρίως στην απορροή αδιαπέρατων επιφανειών η οποία δεν καταλήγει στο δίκτυο αποχέτευσης, τουλάχιστον όχι εξ ολοκλήρου και οδηγείται σε διαπερατή επιφάνεια χωρίς στην ουσία να συντελεί στη δημιουργία απορροής.

135



Έχει εκτιμηθεί ότι οι διαρκείς απώλειες για τις αδιαπέρατες επιφάνειες μπορούν να εκτιμηθούν προσεγγιστικά με ένα ποσοστό της τάξης του 15% της βροχής. Σημαντικό ρόλο πάντως παίζει το ποσοστό των επιφανειών των στεγών και των δρόμων στη συνολική επιφάνεια απορροής, με την τάση, όσο μειώνεται ποσοστιαία η συμμετοχή των επιφανειών των στεγών στη συνολική επιφάνεια, να αυξάνει το ποσοστό των απωλειών. Οι απώλειες πλήρωσης των ανωμαλιών Vm περιγράφουν τη διαδικασία πλήρωσης των ανωμαλιών της επιφάνειας απορροής. Οι απώλειες αυτές μεταβάλλονται συναρτήσει του χρόνου με το μεγαλύτερο μέγεθος να ισχύει στην αρχή, αμέσως μετά την κάλυψη των αρχικών απωλειών. Η τιμή τους εξαρτάται από το είδος της αδιαπέρατης επιφάνειας και από την μέση κλίση της επιφάνειας απορροής. Στα μοντέλα προσομοίωσης της απορροής το συνολικό φαινόμενο των απωλειών είναι δυνατόν να περιγραφεί με διάφορους τρόπους: 9.2.1.1.

Η μέθοδος της ποσοστιαίας απομείωσης

Στη μέθοδο αυτή, μετά την αρχική αφαίρεση των απωλειών διαβροχής από το πρώτο χρονικά βήμα της βροχής, οι υπόλοιπες απώλειες προσεγγίζονται με ποσοστιαία απομείωση του ύψους βροχής που αντιστοιχεί σε κάθε διακριτό τμήμα περιγραφής του φαινομένου της βροχής. Στο σχήμα 9.4 φαίνεται η διαδικασία υπολογισμού της «ενεργής» βροχής από την προσπίπτουσα ποσότητα μετά την αφαίρεση των απωλειών.

136



Σχήμα 9.4 : Γραφική παράσταση παραδείγματος υπολογισμού της «ενεργής» βροχής με τη μέθοδο της ποσοστιαίας απομείωσης 9.2.1.2.

Η μέθοδος της οριακής τιμής

Η μέθοδος αυτή οφείλει την ονομασία της στο γεγονός ότι οι απώλειες με την πρόοδο του φαινομένου της βροχής προσεγγίζουν μια οριακή τιμή που ουσιαστικά αφορά τις διαρκείς απώλειες. Στη μέθοδο αυτή προσεγγίζεται ξεχωριστά κάθε ένα από τα 3 είδη απωλειών, η δε απώλεια πλήρωσης των ανωμαλιών προσεγγίζεται με εκθετική εξίσωση απομείωσης. Η απώλεια διαβροχής αφαιρείται από το ύψος βροχής του πρώτου διακριτού βήματος, ενώ οι διαρκείς απώλειες προκύπτουν από τον πολλαπλασιασμό όλων των διακριτών βημάτων με τον συντελεστή διαρκούς απώλειας ψe που αποτελεί νούμερο μικρότερο της μονάδας με μέσο όρο τιμής όπως αναφέρθηκε και προηγούμενα γύρω στο 0,85. Η εξέλιξη του φαινομένου των απωλειών διαβροχής περιγράφεται με τη βοήθεια της εξίσωσης (7).

Vm = Vmax ⋅ (1 − e − a⋅ψ e ⋅ N )

(7)

όπου Vmax: οι μέγιστες δυνατές απώλειες πλήρωσης ανωμαλιών σε [mm] Vm: οι απώλειες πλήρωσης ανωμαλιών σε κάθε διακριτό βήμα [mm] a: συντελεστής αδιάστατος Ν: το συνολικό ύψος βροχής Ψe: ο μέγιστος συντελεστής απορροής που συνδέεται με τη σχέση (1-ψe)=ψd με το συντελεστή διαρκούς απώλειας ψd Περισσότερες λεπτομέρειες για τη μέθοδο αυτή υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία. Στο σχήμα 9.5 φαίνεται σχηματικά ο τρόπος υπολογισμού της «ενεργής» βροχής με τη μέθοδο της οριακής τιμής.

137



Σχήμα 9.5 : Γραφική αναπαράσταση του τρόπου υπολογισμού των απωλειών με τη μέθοδο της οριακής τιμής 9.2.3

Υπολογισμός απορροής για χρονοσειρές βροχοπτώσεων

Όλο και πιο συχνά είναι επιτακτική η ανάγκη της παρακολούθησης των φαινομένων της απορροής σε υπηρετήσια βάση με περιγραφή των χρονοσειρών όλων των διαδοχικά εμφανιζόμενων φαινομένων βροχής. Στην περίπτωση αυτή συνυπολογίζονται οι ενδιάμεσες περίοδοι ξηρασίας, ενώ προσεγγίζεται μαθηματικά το φαινόμενο της χρονικής εξέλιξης των απωλειών που, ιδίως στην περίπτωση ύπαρξης και διαπερατών επιφανειών, καθίσταται ιδιαίτερα κρίσιμο, αφού εκεί οι απώλειες διήθησης μεταβάλλονται σημαντικά, ανάλογα και με το είδος του εδάφους. Στην περίπτωση των αδιαπέρατων επιφανειών επηρεάζεται μόνο το μέγεθος των απωλειών πλήρωσης ανωμαλιών, το οποίο μετά το πέρας ενός γεγονότος επανέρχεται σταδιακά με τη βοήθεια της εξάτμισης προς τη μέγιστη τιμή του. Στα μοντέλα περιγραφής χρονοσειρών φαινομένων προσεγγίζεται μαθηματικά και το φαινόμενο της εκκένωσης των ανωμαλιών από το νερό που συγκεντρώθηκε στη διάρκεια προηγηθέντος φαινομένου.

138



9.3. Η απορροή βροχής σε διαπερατές επιφάνειες αστικών περιοχών Η βασική διαφορά κατά τη διαδικασία δημιουργίας απορροής σε διαπερατές επιφάνειες σε σύγκριση με τις αδιαπέρατες, είναι ότι συμπληρωματικά εμφανίζεται και η διαδικασία της διήθησης μέρους της απορροής, τόσο κατά τη διάρκεια της βροχής (VN) όσο και στη συνέχεια (VT) στο έδαφος. Στο σχήμα 9.6 φαίνεται ποιοτικά ο διαχωρισμός της «ενεργού» βροχής από τη συνολική ποσότητα της βροχής μετά από την αφαίρεση των αρχικών απωλειών διαβροχής, των απωλειών κάλυψης των ανωμαλιών αλλά και των απωλειών διήθησης.

Σχήμα 9.6 : Απώλειες της βροχής σε διαπερατές επιφάνειες Μια σταθερή απώλεια σε όλη τη διάρκεια της βροχής αποτελεί η εξατμισοδιαπνοή. Στην περίπτωση των διαπερατών επιφανειών οι αρχικές απώλειες διαβροχής αντιπροσωπεύουν μία πολύ μεγαλύτερη απώλεια σε απόλυτα νούμερα σε σύγκριση με την αντίστοιχη απώλεια στις

139



αδιαπέρατες επιφάνειες. Εν τούτοις σε διαδοχικά επεισόδια βροχής με μικρά ενδιάμεσα διαλείμματα είναι δυνατόν η απώλεια αυτή να τείνει προς το μηδέν. Διαρκής αλληλεπίδραση υπάρχει μεταξύ του ύψους των απωλειών πλήρωσης ανωμαλιών και των απωλειών διαβροχής. Οι απώλειες πλήρωσης των ανωμαλιών μηδενίζονται όταν οι ανωμαλίες έχουν πληρωθεί και υπάρχει απορροή από τη συνολική επιφάνεια. Η διαδικασία της διήθησης αρχίζει ταυτόχρονα με την ύπαρξη απωλειών πλήρωσης ανωμαλιών. Η ένταση της διήθησης, μετά από μια αρχική ανοδική περίοδο, φτάνει στο μέγιστο της τιμής της και στη συνέχεια μειώνεται εκθετικά έως ότου προσεγγίσει ασυμπτωτικά μια σταθερή τιμή. Στην περίπτωση των διαπερατών επιφανειών προκύπτει η ενεργή βροχή μετά από την αφαίρεση όλων των παραπάνω απωλειών. Στην περίπτωση των υπολογιστικών μοντέλων που περιγράφουν την απορροή με χρήση χρονοσειρών βροχής είναι προφανές ότι ενδιαφέρει και η μετά τη βροχή ξηρά περίοδος μέχρι το επόμενο επεισόδιο, γιατί στην ενδιάμεση αυτή φάση επανακτάται σταδιακά η ικανότητα των επιφανειών για δημιουργία απωλειών. Τόσο η εξάτμιση όσο και η διήθηση συντελούν στην περίπτωση των διαπερατών επιφανειών στην επανασύσταση της ικανότητας τους να δημιουργούν αρχικές απώλειες στο επόμενο επεισόδιο βροχής. Η διήθηση βέβαια στις διαπερατές επιφάνειες είναι τόσο κυρίαρχο μέγεθος σε σύγκριση με την εξάτμιση, ώστε η τελευταία μπορεί να αγνοηθεί. Για παράδειγμα σε μια διαπερατή επιφάνεια με διαπερατότητα 10-5 m/s (πολύ λεπτόκοκκη άμμος) το δυναμικό διήθησης είναι περί τα 860mm ανά ημέρα. Η ποσότητα αυτή είναι ασύγκριτα μεγαλύτερη από τα 3mm της εξάτμισης ανά ημέρα. Στο σχήμα 9.7 εμφανίζονται όλες οι σημαντικές διεργασίες για τον υπολογισμό της απορροής από διαπερατές επιφάνειες τόσο στη διάρκεια της βροχής όσο και στην ξηρά περίοδο που ακολουθεί.

140



Σχήμα 9.7 : Σημαντικές διεργασίες για τον υπολογισμό της ενεργής βροχής σε διαπερατές επιφάνειες 9.3.1. Μέθοδοι υπολογισμού των απωλειών διήθησης Η πιο γνωστή σχέση για τον υπολογισμό της έντασης της διήθησης είναι η σχέση του HORTON

f (t ) = f e + ( f 0 − f e ) ⋅ e − k ⋅t

(8)

όπου f(t): η ικανότητα διήθησης στη χρονική στιγμή t (mm/min fe: η ελάχιστη ικανότητα διήθησης στη χρονική στιγμή t=∞ που ισοδυναμεί με

την

ικανότητα διήθησης του κορεσμένου εδάφους (mm/min) f0: μέγιστη ικανότητα διήθησης για t=0 (mm/min) k: σταθερά απομείωσης (1/min) Η εξίσωση αυτή ισχύει για την περίπτωση που η ένταση της βροχής είναι μεγαλύτερη από την ικανότητα διήθησης του εδάφους. Η ανάγκη των προσομοιώσεων μεγάλης διάρκειας, συμπεριλαμβανομένων και των ενδιάμεσων ξηρών περιόδων μεταξύ των βροχοπτώσεων, οδήγησε στην ανάγκη τροποποίησης της σχέσης του HORTON από την οποία προέκυψε η σχέση του NEUMANN. 141



Ο Neumann εισήγαγε την έννοια της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό w σε μη κορεσμένα εδάφη, που είναι μέγεθος εξαρτώμενο από τη σύσταση του εδάφους. Με τη βοήθεια του μεγέθους αυτού μπορούν να περιγραφούν όλες οι φάσεις τόσο της μείωσης όσο και της αύξησης της ικανότητας διήθησης. Η σχέση αυτή είναι:

f = p + b ⋅ ( wS − w) (mm/min)

(9)

όπου p=c·w : όρος για την περιγραφή του «στραγγίσματος» του εδάφους με τη βοήθεια της διήθησης w: στιγμιαία περιεκτικότητα σε νερό (mm) wS: μέγιστη περιεκτικότητα σε νερό (mm) c: συντελεστής αναλογικότητας για το «στράγγισμα» (1/min) b: συντελεστής αναλογικότητας για την ικανότητα διήθησης σε συνάρτηση με το έλλειμμα κορεσμού (wS-w)

(1/min)

Η σχέση αυτή για w(0) = 0 οδηγεί στη σχέση του HORTON αφού:

f (t ) = c ⋅ wS + (b ⋅ wS − c ⋅ wS ) ⋅ e −b⋅t και (c ⋅ wS ) = f e

και (b ⋅ wS ) = f 0

Ο πίνακας που ακολουθεί δίνει τις τιμές των παραμέτρων που αναφέρθηκαν παραπάνω για διάφορα εδάφη. f0

fe

wS

b

c

mm/min

mm/min

mm

1/min

1/min

άργιλος, ιλυώδης άργιλος

1

0,03

16

0,0625

0,0019

αργιλώδης ιλύς

1

0,08

23

0,0435

0,0035

αμμώδης αργιλ., αργιλ. άμμος

1

0,10

18

0,0555

0,0056

άμμος

1

0,16

12

0,0833

0,0133

Τύπος εδάφους

Πίνακας 9.5 : Τιμές των παραμέτρων για την εφαρμογή της σχέσης του Horton και του Neumann

142



9.4. Η απορροή βροχής σε μη αστικές περιοχές Στην προσπάθεια περιγραφής του φαινομένου της δημιουργίας απορροής σε μη αστικές περιοχές σημαντικό ρόλο παίζει η εκτίμηση της διήθησης του νερού της βροχής στο έδαφος και πιο συγκεκριμένα ο διαχωρισμός της απορροής σ’ ένα τμήμα που παραμένει στην επιφάνεια, απορρέει, εξατμίζεται ή διηθείται με καθυστέρηση στο έδαφος, και ένα τμήμα που κατεισδύει απ΄ ευθείας στο έδαφος ως ότου φτάσει τη στάθμη του υπόγειου ύδατος. Σημαντικής σημασίας είναι η κατά το δυνατόν ακριβής περιγραφή του φαινομένου της διήθησης, αφού αυτή προηγείται των υπολογισμών της επιφανειακής απορροής. Οι σύνθετες διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε σχέση με τη διήθηση περιγράφονται με απλοποιητικές μεθόδους, που αναπτύχθηκαν εμπειρικά. Φυσικές σχέσεις χρησιμοποιούνται για την περιγραφή των παραμέτρων που υπεισέρχονται. Σύμφωνα με το σχήμα 9.8 ή απ’ ευθείας απορροή προκύπτει από το άθροισμα της επιφανειακής και της ενδιάμεσης απορροής. Η μεν επιφανειακή απορροή λαμβάνει χώρα επάνω στην επιφάνεια του εδάφους, ενώ η ενδιάμεση απορροή αποτελείται από τμήμα της απορροής ομβρίων που διηθήθηκε και κινήθηκε μέσω του εδαφικού στρώματος και επανεμφανίσθηκε με σχετική καθυστέρηση στην επιφάνεια του εδάφους. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι σημαντικότερες φάσεις δημιουργίας απορροής η γνώση των οποίων είναι απαραίτητη για τη χρήση απλοποιητικών σχέσεων υπολογισμού της απορροής.

Σχήμα 9.8 : Συντελεστές της καμπύλης απορροής από διαπερατές επιφάνειες μη αστικών περιοχών

143



Η διαδικασία δημιουργίας απορροής σε φυσικές επιφάνειες επηρεάζεται από την επιφάνεια του εδάφους αλλά και από την ακόρεστη και κορεσμένη εδαφική ζώνη. Η κατάσταση της επιφάνειας του εδάφους αλλά και η επιφανειακή βλάστηση επηρεάζουν την επιφανειακή απορροή. Η ενδιάμεση απορροή που λαμβάνει χώρα κυρίως στην μη κορεσμένη ζώνη επηρεάζεται από αυτή ενώ η υπόγεια ροή λαμβάνει χώρα και επηρεάζεται από την κορεσμένη εδαφική ζώνη. Για να υπολογιστεί το τμήμα της βροχής που μετατρέπεται σε απορροή, υπολογίζονται οι απώλειες και αφαιρούνται από το συνολικό ύψος βροχής. Όταν υπολογίζεται η απορροή μεμονωμένων φαινομένων βροχής, σημαντικό ρόλο παίζουν οι απώλειες επιφανειακής κατακράτησης και η διήθηση. 9.4. 1. Απώλειες επιφανειακής κατακράτησης Συντίθεται από την εξατμισοδιαπνοή και τις απώλειες πλήρωσης επιφανειακών ανωμαλιών. Με τον όρο της εξατμισοδιαπνοής περιγράφεται η διαδικασία κατακράτησης τμήματος της απορροής από την φυτική βλάστηση της επιφάνειας όπου προσωρινά συγκρατείται και τμήμα της οποίας στη συνέχεια εξατμίζεται. Οι απώλειες αυτές εξαρτώνται από το είδος της βλάστησης αλλά και τα χαρακτηριστικά της εδαφικής επιφάνειας και της βροχόπτωσης. Πολλές εμπειρικές σχέσεις έχουν αναπτυχθεί, βασισμένες σε παρατηρήσεις και σχετικές μετρήσεις. Μία από αυτές είναι η σχέση των HOYNINGEN – HUENE σύμφωνα με την οποία (εξ. 10):

N i = −0,42 + 0,245 ⋅ N o + 0,2 ⋅ LAI − 0,011 ⋅ N o2 + 0,0271 ⋅ N o ⋅ LAI − 0,0109 ⋅ LAI 2 όπου Ni : οι απώλειες εξατμισοδιαπνοής

(mm)

No : η προσπίπτουσα βροχή

(mm)

LAI : Μέγεθος που χαρακτηρίζει τη βλάστηση

(m2/m2)

Στο σχήμα 9.9 αποτυπώνεται γραφικά η παραπάνω εξίσωση, ενώ στο σχήμα 9.10 δίνονται τιμές για το LAI ανάλογα με τη βλάστηση.

144



Σχήμα 9.9 : Σχέση μεταξύ προσπίπτουσας βροχής (Νο), εξατμισοδιαπνοής (Νi) και είδους βλάστησης (LAI)

145



Σχήμα 9.10 : Μεταβολή της τιμής LAI μέσα στο έτος για διάφορα είδη καλλιεργειών Χονδρική εκτίμηση του μεγέθους των απωλειών αυτών δίνει και ο DYCK. Το μεγέθους των απωλειών αυτού του είδουςεξαρτάται από τη χρονική στιγμή (μήνας του έτους). 9.4.2. Απώλειες πλήρωσης επιφανειακών ανωμαλιών Όταν καλυφθούν οι απώλειες επιφανειακής κατακράτησης ενεργοποιούνται οι απώλειες πλήρωσης των επιφανειακών απωλειών που περιγράφονται από την εξίσωση :

Vm = Vαπωλ . ⋅ (1 − e a⋅ N d )

(11)

όπου Vm : ύψος απωλειών πλήρωσης επιφανειακών ανωμαλιών

(mm)

Vαπωλ : μέγιστο ύψος απωλειών

(mm)

a : σταθερά

(1/mm)

Nd : ύψος βροχής μετά την αφαίρεση απωλειών επιφανειακής κατακράτησης (mm) Στον πίνακα 9.6 υπάρχουν τιμές για το μέγιστο ύψος απωλειών πλήρωσης επιφανειακών ανωμαλιών για διάφορα είδη καλλιέργειας, βλάστησης και σύστασης εδάφους. Με αύξηση της μέσης επιφανειακής κλίσης μειώνεται η τιμή του. Είδος εδάφους και κάλυψης αργιλώδης άμμος με 45% βλάστηση

Vαπωλ (mm) 4,5 146



αργιλώδης άμμος με 25% βλάστηση αργιλώδης άμμος χωρίς βλάστηση

3,3 3–4

τριφύλλι

2,5 – 7,6

σιτηρά

1,0 – 6,6

συνεκτικά εδάφη με ψηλή βλάστηση

2,5 – 4,0

χωράφια, λιβάδια

1,3 - 3,8

χέρση επιφάνεια

1,4 – 1,5

συνεκτικά εδάφη χωρίς ή με ελάχιστη βλάστηση συνεκτικά εδάφη χωρίς βλάστηση

0,6 – 1,0 0,6 – 1,4

Πίνακας 9.6 : Απώλειες πλήρωσης επιφανειακών ανωμαλιών για επιφάνειες μικρής κλίσης (MANIAK, 1983)

Συνήθως οι απώλειες αυτές υπολογίζονται σαν ένα ποσό αρχικών απωλειών κατ’ αποκοπή που αφαιρούνται από το ύψος της βροχής για την οποία υπολογίζεται η απορροή. 9.4.3. Διήθηση Οι απώλειες που αναφέρθηκαν παραπάνω αποτελούν ένα μικρό σχετικά ποσοστό των συνολικών απωλειών και εκφράζεται σαν μια αρχική απώλεια που αφαιρείται από το αρχικό ύψος της βροχής. Πολύ πιο σημαντική απώλεια αποτελεί η διήθηση, η οποία εκτείνεται σε όλη τη διάρκεια της βροχής και είναι ιδιαίτερα πιο σημαντική σαν συνολικό ύψος. Το πολύπλοκο της αναλυτικής περιγραφής οδήγησε στην αναζήτηση εμπειρικών απλοποιητικών σχέσεων για την περιγραφή του φαινομένου. Πιο γνωστή είναι η αναφερθείσα στο κεφάλαιο 9.3 εξίσωση του HORTON. Οι παρακάτω πίνακες δίνουν ενδεικτικές τιμές για τα μεγέθη που υπεισέρχονται στην εξίσωση HORTON. Είδος εδάφους

fe (mm/h)

πολύ πλαστική άργιλος

0–1

ελαφρά αμμώδης άργιλος

1- 4

αργιλώδης άμμος, αμμώδης άργιλος

4–8

άμμος

8 - 11

Πίνακας 9.7 : Τιμές τελικής ταχύτητας διήθησης fe (CHOW, 1964)

147



Συγγραφέας Holtan Musgrave

Έδαφος / κάλυψη

fo (m/h)

χέρση, ακάλυπτη επιφάνεια

16

λιβάδι, δάσος

120

αργιλικό έδαφος χωρίς βλάστηση

36

αμμώδες έδαφος με πυκνή βλάστηση

110

Πίνακας 9.8 : Αρχική ταχύτητα διήθησης fo (NEUMANN, 1976) Η επίδραση της σταθεράς επαναφοράς φαίνεται στο σχήμα 9.11. Πρόκειται για μέγεθος που δίνει την ταχύτητα πλήρωσης του αποθηκευτικού δυναμικού του εδάφους.

Σχήμα 9.11 : Επίδραση της τιμής της σταθεράς επαναφοράς και στο μέγεθος της ταχύτητας διήθησης (μοντέλο HORTON) Άλλο σχετικό μοντέλο υπολογισμού των απωλειών διήθησης είναι το μοντέλο GREEN / AMPT. 9.4.4. Απλοποιητικές μέθοδοι υπολογισμού της απορροής Στις μεθόδους αυτές οι απώλειες περιγράφονται απλοποιητικά και αποτελούν, οι μεν απώλειες επιφανειακής κατακράτησης και πλήρωσης επιφανειακών ανωμαλιών ένα συγκεκριμένο ύψος αρχικής απώλειας, ενώ οι απώλειες διήθησης σταθερή απομείωση ή αναλογική μείωση της προσπίπτουσας βροχής μετά την αφαίρεση των αρχικών απωλειών. Σύμφωνα με την πιο αποτελεσματική μέθοδο, για κάθε χρονικό βήμα από το ύψος της βροχής, που αντιστοιχεί σ’ αυτό, αφαιρείται σταθερό ύψος απωλειών. 148



Οι μέθοδοι αυτές είναι κατάλληλες για πλήρως φυσικές επιφάνειες απορροής χωρίς αδιαπέρατες επιφάνειες. Για επιφάνειες στις οποίες υπάρχει ποσοστό αδιαπέρατων επιφανειών (δρόμοι, μικροί οικισμοί, κ.λπ.) η μέθοδος της ποσοστιαίας αφαίρεσης απωλειών εκφρασμένη με τη σχέση :

N ενεργή (t ) = N (t ) ⋅ψ (t )

(16)

δίνει το ποσοστό της προσπίπτουσας βροχής που συντελεί στη δημιουργία απορροής :

Νενεργή(t) : η ενεργή βροχή στο χρονικό βήμα t Ν(t) : η προσπίπτουσα βροχή στο βήμα t ψ(t) : συντελεστής απορρέουσας βροχής Στον πίνακα 9.9 φαίνονται μέσοι συντελεστές απορρέουσας βροχής ψm για πλημμυρικά φαινόμενα (σύμφωνα με τον CHOW). Χρήση

Έδαφος

Αγρός

Βοσκοτόπια

Δάσος

αμμώδη εδάφη με μεγάλη διηθητικότητα

0,20

0,15

0,10

αργιλώδη εδάφη με μέτρια διηθητικότητα

0,40

0,35

0,30

0,50

0,45

0,40

βαριά εδάφη, αργιλικά με μικρή διηθητικότητα

Πίνακας 9.9 : Μέσος συντελεστής απορροής ψm για πλημμυρικά φαινόμενα (CHOW, 1964) Ο πίνακας 9.10 περιέχει σύμφωνα με τον DYCK μέσους συντελεστές απορροής ψm (%) για ομοιόμορφες επιφάνειες απορροής ανάλογα με τη μέση κλίση της επιφάνειας απορροής, τη χρήση του εδάφους και την ταχύτητα διήθησης της εδαφικής επιφάνειας κωδικοποιημένη σε τέσσερις κατηγορίες όπως φαίνεται στον πίνακα 9.11.

Κλίση επιφάνειας IG

Χρήση εδάφους W

AW

BW

W

AW

BW

0 … 0.04

2…5

5 … 10

10 … 15

5 … 10

10 … 20

20… 35

0.04…0.10

10 … 15

10 … 20

15 … 25

10 … 20

20 … 30

30 … 40

>10

15 … 20

20 … 25

25 … 35

20 … 25

30 … 35

35 … 50

Κατηγορία εδάφους σύμφωνα με

ΙΙ

ΙΙΙ 149



πίνακας 4.3-19 Χρήση εδάφους

Κλίση επιφάνειας IG

W

AW

BW

W

AW

BW

0 … 0.04

10 … 20

25 … 35

35 … 45

20 … 30

35 … 45

40… 55

0.04…0.10

15 … 25

30 … 40

40 … 50

25 … 35

40 … 50

50 … 60

>10

25 … 35

35 … 45

45 … 55

35 … 40

45 … 55

55 … 70

Κατηγορία εδάφους σύμφωνα με πίνακας 4.3-19

IV

V/VI

W= δάσος, AW=αγρός με σχετική δόμηση, BW= χέρσες εκτάσεις και βοσκοτόπια Πίνακας 9.10 : Τιμές μέσου συντελεστή απορροής ψm (%) για ομοιογενείς εδαφικές επιφάνειες για βροχή με περίοδο επαναφοράς n=0.5 ως 0.4 (DYCK, 1980)

Έδαφος Άμμος Άμμος με ελάχιστη άργιλο

kf m/s ≥ 1 · 10-4 ≈ 3 · 10-5

Κατηγορία διηθητικότητας Χαρακτηρισμός Διαπερατό Πολύ ελαφριά αδιαπέρατο

Κατηγορία Ι ΙΙ

Αργιλώδης άμμος ≤ 1 · 10-5

Ελαφριά αδιαπέρατο

ΙΙΙ

Αργιλώδες

≤ 1 · 10-6

Αρκετά αδιαπέρατο

IV

Ιλυοαργιλώδες

≤ 3 · 10-7

Ισχυρά αδιαπέρατο

V/VI

Έντονα αργιλώδης άμμος Αμμώδης άργιλος

Πίνακας 9.11 : Κατάταξη εδαφών σε κατηγορία διηθητικότητας σύμφωνα με τον DYCK (1980) 9.4.5. Η μέθοδος SCS Η πιο γνωστή από τις μεθόδους απλοποιητικής περιγραφής επιφανειακής απορροής από φυσικές επιφάνειες και ταυτόχρονα η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη είναι η σχέση SCS (U.S. SOIL CONSERVATION SERVICE). Πρόκειται για την εξίσωση :

150



5080 + 50,8) 2 CN = 20320 N+ − 203,2 CN (N −

N ενεργή

(17)

Η μόνη παράμετρος που υπεισέρχεται στον υπολογισμό είναι το CN (“Curve Number”) που εμπεριέχει τόσο τα εδαφικά χαρακτηριστικά, όσο και τα χαρακτηριστικά του φαινομένου της βροχής.

Στον πίνακα 9.12 είναι καταχωρημένες οι τιμές CN σε εξάρτηση από τη χρήση του εδάφους και την κατηγορία του εδάφους της επιφάνειας απορροής για την κατηγορία υγρασίας εδάφους ΙΙ. Οι κατηγορίες εδάφους χαρακτηρίζονται ως εξής: : Εδάφη με μεγάλη διαπερατότητα, ακόμη και με μεγάλη αρχική Κατηγορία Α Κατηγορία Β

υγρασία (αμμώδη και αμμοχαλικώδη εδάφη) : Εδάφη με μέση διαπερατότητα, βαθειάς ως μέτρια βαθειάς στρωμάτωσης (π.χ. μέτρια βαθιά αμμώδη εδάφη, αργιλώδης άμμος)

Κατηγορία C

: Εδάφη

με

μικρή

διαπερατότητα,

λεπτόκοκκα

ως

μέτρια

λεπτόκοκκα (π.χ. ρηχά αμμώδη εδάφη, αμμώδης άργιλος) Κατηγορία D

: Εδάφη με πολύ μικρή διηθητικότητα, αργιλώδη, χωρίς κλίση, εδάφη με πολύ υψηλό υδροφόρο ορίζοντα

Χρήση εδάφους

για κατηγορία εδάφους A

B

C

D

χέρσο έδαφος

77

86

91

94

αμπέλια

70

80

87

90

αμπέλια σε αναβαθμούς

64

73

79

82

σιτηρά

64

76

84

88

(κανονικά)

49

69

79

84

(Με ελάχιστη βλάστηση)

68

79

86

89

30

58

71

78

(αραιό)

45

66

77

83

(μέτριο)

36

60

73

79

βοσκοτόπια λιβάδια δάσος

151



(πυκνό) αδιαπέρατες επιφάνειες

25

55

70

77

100

100

100

100

Πίνακας 9.12 : Τιμές CN ανάλογα με την κατηγορία του εδάφους και τη χρήση του για κατηγορία υγρασίας ΙΙ (DVWK, 1984) Προβλέπονται επίσης συντελεστής διόρθωσης, ώστε να λαμβάνεται υπ’ όψη η αρχική υγρασία του εδάφους.

Οι κατηγορίες του εδάφους ανάλογα με την αρχική υγρασία φαίνονται στον πίνακα 9.13. Κατηγορία υγρασίας

Ύψος βροχής (mm) τις τελευταίες 5 ημέρες

εδάφους

Περίοδος καλλιεργειών

Υπόλοιπος χρόνος

Ι

< 30

< 15

ΙΙ

30 – 50

15 – 30

ΙΙΙ

> 50

> 30

Πίνακας 9.13 : Κατάταξη σε κατηγορία εδάφους ανάλογα με την προϊστορία των επεισοδίων βροχής για εφαρμογή της μεθόδου SCS Τέλος, το σχήμα 9.12 επιτρέπει τον υπολογισμό της διορθωμένης τιμής CN για την περίπτωση εδαφών κατηγορίας υγρασίας Ι και ΙΙΙ. Σημειώνουμε ότι η τιμή CN δίνεται κατ’ αρχήν για κατηγορία υγρασίας ΙΙ

152



Σχήμα 9.12 : Τιμές του CN για εδάφη κατηγορίας υγρασίας Ι και ΙΙΙ σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές CΝ για εδάφη κατηγορίας υγρασίας ΙΙ (DVWK, 1984)

153



9.5. Οι καμπύλες απορροής βροχής – Το μοναδιαίο υδρογράφημα 9.5.1. Γενικά Με τον όρο καμπύλη απορροής συναρτήσει του χρόνου για συγκεκριμένες επιφάνειες, εννοούμε τον υπολογισμό των καμπύλων παροχής που προκύπτουν από τοπικά ομοιόμορφα κατανεμημένες «ενεργές» βροχοπτώσεις. Οι καμπύλες ονομάζονται υδρογραφήματα. Λόγω των ιδιαίτερα σύνθετων φυσικών διεργασιών που υπεισέρχονται στη διαδικασία σχηματισμού της απορροής πρέπει να γίνουν απλοποιητικές παραδοχές ωστε να οδηγηθεί κανείς σε λύσεις. Δύο δρόμοι προσφέρονται στη διαδικασία αυτή: 1. Στον πρώτο γίνεται η παραδοχή ότι η επιφανειακή απορροή μπορεί να προσεγγιστεί μαθηματικά με ροή σε ορθογωνική ανοικτή διατομή μεγάλου πλάτους και μικρού βάθους. Το πλάτος προσεγγίζεται π.χ. με 1m, το βάθος είναι ίσο με το πολύ μικρό βάθος του φίλμ απορροής στην επιφάνεια και το μήκος είναι η απόσταση του σημείου συρροής από το πιο απομακρυσμένο σημείο της λεκάνης στην εξεταζόμενη επιφάνεια. Οι δύο άγνωστοι, βάθος ροής h και παροχή Q, προσεγγίζονται με την επίλυση των δύο βασικών εξισώσεων της κίνησης του νερού, δηλαδή της εξίσωσης της συνέχειας και της κίνησης. 2. Στην δεύτερη προσέγγιση χρησιμοποιείται η αρχή του μοναδιαίου υδρογραφήματος. Σαν μοναδιαίο υδρογράφημα ορίζεται η χαρακτηριστική καμπύλη απορροής της εξεταζόμενης επιφάνειας, με την οποία η συγκεκριμένη επιφάνεια αποκρίνεται με τον ίδιο πάντοτε τρόπο σε μια βροχή με σταθερή μοναδιαία ένταση (εκφρασμένη σε mm ανά χρονική μονάδα π.χ. 1mm / 5min). Η βροχή θεωρείται ομοιόμορφα κατανεμημένη χωρικά. Από τα παραπάνω προκύπτει επίσης ότι ο όγκος που περικλείει το μοναδιαίο υδρογράφημα είναι το γινόμενο της «ενεργής» μοναδιαίας βροχής επί την επιφάνεια απορροής.

Vμον . = N μον . ⋅ ΑΕ ⋅ c

(18)

154



όπου Vμον. : όγκος του μοναδιαίου υδρογραφήματος (m3) Nμον. : η «ενεργή» μοναδιαία βροχή (mm) AE :

επιφάνεια απορροής (π.χ. σε ha)

c:

διαστατικός συντελεστής = 10 όταν ΑΕ σε ha = 1000 όταν ΑΕ σε km2

Στο σχήμα 9.13 φαίνεται το μοναδιαίο υδρογράφημα και η αντίστοιχη «ενεργή» μοναδιαία βροχή.

Σχήμα 9.13 : Το μοναδιαίο υδρογράφημα και η αντίστοιχη μοναδιαία βροχή που το προκαλεί Με τη βοήθεια του μοναδιαίου υδρογραφήματος μπορούμε στη βάση της αρχής της γραμμικότητας και της σταθερότητας στον χρόνο να υπολογίσουμε τις απορροές που αντιστοιχούν σε οποιαδήποτε βροχή. Από τους δύο διακριτούς τρόπους προσέγγισης του φαινομένου της δημιουργίας της απορροής, ο πρώτος, δηλαδή αυτός της υδραυλικής προσέγγισης χρησιμοποιείται σε ορισμένα μαθηματικά μοντέλα. Πιο συνηθισμένος τρόπος προσέγγισης του φαινομένου του σχηματισμού απορροής είναι ο υδρολογικός τρόπος, δηλαδή αυτός των μοναδιαίων υδρογραφημάτων.

155



9.5.2. Η αρχή της «γραμμικότητας» των μοναδιαίων υδρογραφημάτων Ξεκινώντας από το μοναδιαίο υδρογράφημα του σχήματος 9.14 μπορούμε να θεωρήσουμε ότι για οποιαδήποτε βροχή είναι δυνατός ο υπολογισμός της απορροής από τη συγκεκριμένη επιφάνεια αν ισχύει η αρχή της γραμμικότητας και της σταθερότητας στο χρόνο που παραστατικοποείται στα δύο παρακάτω παραδείγματα: 1. Αν η μοναδιαία «ενεργή» βροχή, με διατήρηση σταθερού του χρονικού βήματος Δt, πολλαπλασιαστεί με τον παράγοντα n, η απορροή που αντιστοιχεί στη βροχή αυτή προκύπτει από πολλαπλασιασμό όλων των τιμών του μοναδιαίου υδρογραφήματος με τον ίδιο συντελεστή n. Στο σχήμα 9.14 φαίνεται η εφαρμογή των παραπάνω για n = 2.

Σχήμα 9.14 : Εφαρμογή της αρχής της γραμμικότητας του μοναδιαίου υδρογραφήματος για πολλαπλασιασμό της μοναδιαίας βροχής με τον συντελεστή n=2 2. Αν στη μοναδιαία «ενεργή» βροχή προστεθούν διαδοχικές χρονικά m μοναδιαίες βροχές, η απορροή που αντιστοιχεί από την ίδια επιφάνεια προκύπτει από την άθροιση m μοναδιαίων υδρογραφημάτων μετατεθειμένων το ένα από το άλλο κατά Δt.

156



Στο σχήμα 9.15 φαίνεται το παραπάνω για m = 2.

Σχήμα 9.15 : Εφαρμογή της αρχής της γραμμικότητας και της σταθερότητας στο χρόνο του μοναδιαίου υδρογραφήματος σαν συνέπεια της χρονικής αλληλουχίας περισσότερων μοναδιαίων βροχών Επιτρεπτός είναι και ο συνδυασμός των δύο παραπάνω όπως παραστατικά παρουσιάζεται στο σχήμα 9.16. Η βροχή στην περίπτωση αυτή αποτελείται από δύο μοναδιαίες βροχές στο πρώτο χρονικό βήμα, που ακολουθούνται από μία μοναδιαία βροχή στο δεύτερο χρονικό βήμα. Η καμπύλη απορροής (υδρογράφημα) προκύπτει από την άθροιση των τριών μοναδιαίων υδρογραφημάτων.

157



Σχήμα 9.16 : Εφαρμογή της γραμμικότητας και της σταθερότητας στο χρόνο υδρογραφήματος,

σαν

συνέπεια

του

πολλαπλασιασμού

και

της

του μοναδιαίου

χρονικής

αλληλουχίας

περισσότερων μοναδιαίων βροχών Η τελευταία διαδικασία δεν περιορίζεται μόνο σε ακέραια πολλαπλάσια των μοναδιαίων βροχών, δηλαδή Ν = 1,0 mm/Δt ή N = 2,0 mm/Δt κ.ο.κ. αλλά μπορεί να εφαρμοστεί και για δεκαδικά πολλαπλάσια ή υποπολλαπλάσια της μοναδιαίας βροχής π.χ. Ν = 1,7 mm/Δt ή Ν = 0,4 mm/Δt πάντοτε όμως με τη διατήρηση σταθερού του χρονικού βήματος. Η αλλαγή του χρονικού βήματος οδηγεί και σε αλλαγή του μοναδιαίου υδρογραφήματος για τη συγκεκριμένη πάντα επιφάνεια απορροής. Ως εκ τούτου η επιλογή μοναδιαίου υδρογραφήματος για μοναδιαία βροχή χρονικού βήματος Δt = 5min οδηγεί στη δυνατότητα υπολογισμού της απορροής για βροχές διάρκειας πολλαπλάσιας αυτής του χρονικού βήματος, δηλαδή Τ = 5, 10, 15 …min. Τα μοναδιαία υδρογραφήματα για κάθε συγκεκριμένη επιφάνεια μπορούν να υπολογιστούν με τη βοήθεια μετρήσεων φαινομένων βροχής και απορροής για την εν λόγω επιφάνεια. Αυτός είναι και ο πλέον αξιόπιστος τρόπος για τον υπολογισμό του μοναδιαίου υδρογραφήματος. Είναι εν τούτοις σχεδόν αδύνατο να έχει κανείς στη διάθεση του μετρήσεις για κάθε επιφάνεια. Στην πράξη χρησιμοποιούνται και γι’ αυτό απλοποιητικές μέθοδοι που παρατίθενται στη συνέχεια:

158



9.5.3. Συνθετικά μοναδιαία υδρογραφήματα με τη μέθοδο του γραμμικού ταμιευτήρα Επειδή η αναφερθείσα παραπάνω δυνατότητα υπολογισμού μοναδιαίων υδρογραφημάτων, με τη χρήση δηλαδή μετρήσεων βροχής και απορροής για κάθε χαρακτηριστική επιφάνεια, είναι ιδιαίτερα χρονοβόρος και πολυέξοδη, έγιναν προσπάθειες απλοποιητικού τρόπου προσέγγισης του φαινομένου. Ένας από αυτούς είναι και η θεώρηση της επιφάνειας απορροής σαν ταμιευτήρα ο οποίος έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει προσωρινά τη βροχή και να την αποδώσει στη συνέχεια σαν «στραγγαλισμένη» απορροή (Σχήμα 9.17)

Σχήμα 9.17 : Σχηματική παρουσίαση του ορισμού του γραμμικού ταμιευτήρα όπου Ιw (t) : ενεργή ένταση της βροχόπτωσης (m/s) ΑΕ :

επιφάνεια απορροής (m2)

Q(t) : απορροή (m3/s) S(t) :

στιγμιαία αποθηκευμένος όγκος (m3)

Για τον ταμιευτήρα πρέπει σε κάθε χρονική στιγμή να ισχύει η εξίσωση της συνέχειας δηλαδή η διαφορά Εισροή – Εκροή αντιπροσωπεύει την αλλαγή του αποθηκευμένου όγκου:

159



I w (t ) ⋅ AE − Q(t ) = dS / dt

(19)

Όσον αφορά τη λειτουργία του ταμιευτήρα γίνεται η παραδοχή ότι η απορροή Q είναι σε κάθε χρονική στιγμή ίση με ένα σταθερό τμήμα « k » της κάθε φορά αποθηκευμένης στιγμιαία ποσότητας S στον ταμιευτήρα, δηλ. :

1 ⋅ S (t ) k

(20)

= k ⋅ dQ

(21)

Q(t ) =

Από όπου προκύπτει και :

dS

dt

dt

ή:

I w (t ) ⋅ AE − Q(t ) = k ⋅ dQ

dt

(22)

όπου Ιw(t) είναι η γνωστή ένταση της μοναδιαίας βροχής. Η σταθερά k ορίζεται σαν σταθερά του ταμιευτήρα. Για βροχή Νw σταθερής έντασης στη χρονική διάρκεια του βήματος Δt ίσης με Iw(t)=Nw / Δt η εξίσωση 22 έχει δύο τμήματα στη λύση της (δες σχήμα 9.18). Για τη διάρκεια της βροχής η απορροή Q(t) αυξάνεται εκθετικά και αγγίζει τη μέγιστη τιμή της με τη λήξη της βροχής, δηλαδή για t=Δt :

Q(t ) =

N w ⋅ AE ⋅ (1 − e −t / k ) Δt

(23)

Μετά το τέλος της βροχής αρχίζει η εκθετική μείωση της απορροής :

Q(t ) =

N w ⋅ AE ⋅ (e( Δt −t ) / k − e− t / k ) Δt

(24)

160



Σχήμα 9.18 : Καμπύλη απορροής του γραμμικού ταμιευτήρα

9.5.3.1. Εκτίμηση της τιμής της σταθεράς του ταμιευτήρα «k» Η τιμή της σταθεράς « k » του γραμμικού ταμιευτήρα μπορεί να εκτιμηθεί από μετρήσεις στον κλάδο της μειούμενης απορροής. Για την εφαρμογή της μεθόδου του γραμμικού ταμιευτήρα σε μοντέλα υπολογισμού απορροών σε δίκτυα αποχέτευσης χρησιμοποιούνται εμπειρικές σχέσεις υπολογισμού της τιμής του k από χαρακτηριστικά της επιφάνειας απορροής. Ο Neumann (1976) ανέπτυξε την εμπειρική σχέση που ακολουθεί, για μικρές επιφάνειες απορροής δικτύων αποχέτευσης :

k=

40 ⋅ L0.6 I w0.4 ⋅ J 0.4 ⋅ K St0.6

(25)

161



όπου L (m) : μήκος απορροής κατά την έννοια της κλίσης Iw (mm/min) : Nw/Δt = ένταση της ενεργής βροχής J (-) : κλίση της επιφάνειας απορροής ΚSt :

η τιμή του συντελεστή Manning – Strickler ≈ 70 για αδιαπέρατες επιφάνειες ≈ 4 για διαπερατές επιφάνειες

9.5.4. Γραμμική συστοιχία ταμιευτήρων Λογική εξέλιξη της μεθόδου του γραμμικού ταμιευτήρα είναι η μέθοδος της γραμμικής συστοιχίας ταμιευτήρων που αποτελεί προσπάθεια προσομοίωσης του φαινομένου της απορροής με τη βοήθεια σειράς ταμιευτήρων όπου η εκροή του πρώτου είναι εισροή στον δεύτερο, κ.ο.κ. Σαν δεύτερη παράμετρος – συμπληρωματικά της σταθεράς k του ταμιευτήρα – προκύπτει η σταθερά n, που εκφράζει τον αριθμό των διαδοχικών ταμιευτήρων και επιτρέπει για την ίδια απορροή την αναπαραγωγή μοναδιαίου υδρογραφήματος με μικρότερη αιχμή και πιο απλωμένο σχήμα. Στο σχήμα 9.19 φαίνεται η διαφοροποίηση των υδρογραφημάτων λόγω της διέλευσης από τη συστοιχία των ταμιευτήρων.

162



Σχήμα 9.19 : Σχηματική παρουσίαση της συστοιχίας ταμιευτήρων και της επίδρασης της στη μορφή του μοναδιαίου υδρογραφήματος Η εξίσωση που δίνει τη λύση για την περίπτωση δύο διαδοχικών ταμιευτήρων προκύπτει από την εφαρμογή της λύσης του γραμμικού ταμιευτήρα (εξ. 23 και 24) στην εξίσωση συνέχειας (19) ή στην διαφορική εξίσωση 22 για το σκέλος Iw(t)·AE. Για διαφοροποίηση η παροχή του πρώτου και του δεύτερου ταμιευτήρα έχουν αντίστοιχα τους δείκτες 1 και 2 αντίστοιχα.

Q1 (t ) − Q2 (t ) = k ⋅ dQ2 / dt

(26)

Από την εξίσωση αυτή προκύπτει λύση για την Q2(t) που αποτελεί την εισροή για τον τρίτο ταμιευτήρα σε περίπτωση συστοιχίας 3 ταμιευτήρων κ.ο.κ.

163



Η διαφοροποίηση της τιμής των παραμέτρων n και k μετασχηματίζει ανάλογα και τη μορφή του υδρογραφήματος. Με αύξηση της τιμής k η καμπύλη απορροής γίνεται μακρύτερη και με μικρότερη αιχμή. Η διάρκεια της ανοδικής φάσης της καμπύλης απορροής γίνεται αντίστοιχα μεγαλύτερη.

Σχήμα 9.20 : Επιρροή της τιμής της παραμέτρου k για σταθερό αριθμό ταμιευτήρων Στο σχήμα 9.21 φαίνεται η επιρροή της αλλαγής στην τιμή n για σταθερή τιμή του k. Όπως φαίνεται στο σχήμα η αλλαγή της τιμής του n στις τιμές 1, 2 και 3 δείχνει την ίδια επίδραση με αυτήν της αλλαγής της τιμής του k , δηλ. αύξηση της τιμής του n οδηγεί σε μακρύτερο και με μικρότερη αιχμή υδρογράφημα.

164



Σχήμα 9.21 : Επιρροή της τιμής της παραμέτρου n στη μορφή του υδρογραφήματος 9.5.4.1. Υπολογισμός των τιμών των παραμέτρων n και k

από χαρακτηριστικά μεγέθη των

επιφανειών απορροής Ασφαλώς ο καλλίτερος τρόπος υπολογισμού των τιμών των παραμέτρων n και k είναι από τη σύγκριση υπολογισμένων και μετρημένων τιμών απορροής από συγκεκριμένη επιφάνεια απορροής συναρτήσει του χρόνου. Εν τούτοις σπάνια συμβαίνει να έχουμε μετρημένα μεγέθη απορροής από τις επιφάνειες που καλούμαστε να μελετήσουμε. Ως εκ τούτου ο στόχος είναι ο υπολογισμός της τιμής των παραμέτρων να γίνεται από χαρακτηριστικά μεγέθη της επιφάνειας. Αναφορικά με την παράμετρο «n» είναι αρκετή για την εκτίμηση της τιμής η διαφοροποίηση σε «φυσικά υδατορεύματα» και «δίκτυα αποχέτευσης». Για τα «φυσικά υδατορεύματα» συνιστάται η τιμή n = 2, DVWK (1984), ενώ για τα «δίκτυα αποχέτευσης» η τιμή n = 3, ATV(1987). Για την εκτίμηση της τιμής k συνιστώνται οι εξής εμπειρικές σχέσεις : 165



Για φυσικά υδατορεύματα (DVWK, 1984) :

k = 120 ⋅ ( L / I )0.28

(min)

(27)

όπου L:

μήκος του υδατορεύματος σε km

Ι:

κλίση (σαν δεκαδικός αριθμός)

Για τα δίκτυα αποχέτευσης (ATV, 1987) : α) για τις επιφάνειες απορροής δευτερευόντων αγωγών, όταν συμπεριλαμβάνεται και η περιγραφή της ροής εντός των αγωγών :

k = 0, 25 ⋅ tc

(min)

(28)

όπου

tc = t f + t a και

(min)

tf : ο μέγιστος χρόνος ροής στο δίκτυο για πλήρεις αγωγούς ta : χρόνος ροής στην επιφάνεια ως την είσοδο στον αγωγό με : ta = 3 – 5 min για μικρής κλίσης επιφάνειες ta = 2 – 3 min για μέσης κλίσης επιφάνειες ta = 1 min για μεγάλης κλίσης επιφάνειες

β) για επιφάνειες απορροής αγωγού :

k = k1 / n

(29)

όπου n : ο αριθμός των διαδοχικών ταμιευτήρων (π.χ. n = 3) k1 : η τιμή της παραμέτρου k για τον γραμμικό ταμιευτήρα υπολογισμένη από την εξίσωση 25.

166



9.6. Προσδιορισμός του χρόνου συρροής λεκανών Σε περιπτώσεις όπου η απορροή εξωτερικών λεκανών οδηγείται είτε στο δίκτυο ομβρίων, είτε σε περιμετρική αποχετευτική τάφρο χρειάζεται να εκτιμηθεί η παροχή σχεδιασμού. Το ίδιο ισχύει και για όλα τα έργα οδοποιίας, όπου οι εξωτερικές λεκάνες αποχετεύουν κατά τρόπο που η παροχή τους πρέπει να απομακρυνθεί με τάφρο, ή να διέλθει με τεχνικό κάτω από το δρόμο. Ο χρόνος συγκέντρωσης της απορροής της λεκάνης, γνωστός και σαν χρόνος συρροής, εξαρτάται από διάφορα χαρακτηριστικά μεγέθη της λεκάνης απορροής όπως : ΑΕ :

επιφάνεια λεκάνης απορροής (km2)

S:

μέση κλίση λεκάνης (%)

εαδ :

ποσοστό δομημένης επιφάνειας (%)

εδα :

ποσοστό δασωμένης επιφάνειας (%)

U:

μήκος περιμέτρου της επιφάνειας απορροής (km)

α:

παράγων σχήματος λεκάνης (-) = 0, 282 ⋅ U /

AE

Στο σχήμα 9.22 συνοψίζεται μία προσέγγιση γραφικού υπολογισμού του χρόνου συρροής φυσικών υδατορευμάτων.

167



Σχήμα 9.22 : Γραφική μέθοδος υπολογισμού του χρόνου συρροής tc σε φυσικά υδατορεύματα (HARMS, 1984) Σύμφωνα με τις ελληνικές προδιαγραφές (Π.Δ. 696/74), η εκτίμηση του χρόνου συρροής μπορεί να γίνει από την εμπειρική σχέση του Giandotti.

tc =

4 AE + 1,5 L 0,8 ⋅ Δz

(30)

168



όπου tc ο χρόνος συγκέντρωσης της λεκάνης, ΑΕ η επιφάνεια της λεκάνης (km2), L το μήκος της κύριας μισγάγγειας (km) και Δz η υψομετρική διαφορά του μέσου υψομέτρου της λεκάνης από το υψόμετρο της εξόδου της (m). Η σχέση του Grandotti είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στην ελληνική πρακτική. Ωστόσο στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχουν και άλλες σχέσεις κατάλληλες τόσο για αστικές όσο και για μη αστικές λεκάνες. Μερικές από αυτές δίνονται στη συνέχεια. Σε όλες ο χρόνος tc δίνεται σε h. Η σχέση του Kirpich

tc = 0, 0667 ⋅ L0,77 / S 0,385

(31)

όπου L το μήκος της κύριας μισγάγγειας (km) και S η μέση κλίση (m/m) Τα δεδομένα με τα οποία αναπτύχθηκε η σχέση αυτή στην Αμερική αναφέρονται σε αγροτικές λεκάνες έκτασης 0,5 ως 50 ha με ισχυρές κλίσεις (3 ως 10%) και φυτοκάλυψη κυμαινόμενη από 0 ως 50%. Για αστικές λεκάνες με επιφάνειες από άσφαλτο ή σκυρόδεμα η τιμή του tc μειώνεται στο 40%. Αντίστοιχη είναι και η σχέση της California Culverts Practice :

tc = 0,95 ⋅ L1,155 / H 0,385

(32)

στην οποία η κλίση έχει αντικατασταθεί με το L/H, όπου L είναι το μήκος της κύριας μισγάγγειας (km) και το H είναι η υψομετρική διαφορά μεταξύ του πλέον ανάντη σημείου της μισγάγγειας και της εξόδου της (m). Η σχέση του Izzard :

tc = 3, 46 ⋅

(0, 0007i + cr ) ⋅ L1/ 3 S 1/ 3 ⋅ i 2 / 3

(33)

169



όπου L το μήκος της διαδρομής της ροής (km), S η μέση κλίση της διαδρομής (m/m), i η ένταση βροχής (mm/l) και cr συντελεστής επιβράδυνσης, αναπτύχθηκε το 1946 με εργαστηριακά πειράματα από το Αμερικάνικο Bureau of Public Roads. Αναφέρεται σε εκτάσεις που καλύπτονται από δρόμους ή πράσινο, χωρίς ανεπτυγμένο οδογραφικό δίκτυο. Ο συντελεστής επιβράδυνσης παίρνει τιμές 0,007 για λείες ασφαλτικές επιφάνειες, 0,012 για επιφάνειες σκυροδέματος, 0,046 για γαίες και φτάνει 0,06 για επιφάνειες πυκνού πρασίνου. Η σχέση του κινηματικού κύματος :

tc = 7,35 ⋅

L0,36 ⋅ n0,6 i 0,4 ⋅ S 0,3

(34)

όπου L το μήκος της διαδρομής της επιφανειακής ροής (km), S η μέση κλίσης της επιφάνειας (m/m), n ο συντελεστής τραχύτητας Manning και i η ένταση της βροχής (mm/h). Ο συντελεστής τραχύτητας κυμαίνεται από 0,02 για πλακόστρωτες επιφάνειες μέχρι 0,05 για πράσινο. Η σχέση της Soil Conservation Service (SCS) :

tc = 0, 057 ⋅ L0,8 ⋅ (1000 / CN − 9)0,7 / S 1/ 2

(35)

όπου L το μήκος της κύριας μισγάγγειας (km), S η μέση κλίση της λεκάνης (m/m) και CN η παράμετρος απορροής της μεθόδου SCS (curve number). Είναι κατάλληλη για μικρές αστικές λεκάνες κάτω των 800 ha.

170


10. Η απορροή βροχής σε παντορροϊκά δίκτυα – Έλεγχος και μέτρα για τον περιορισμό της ρύπανσης των φυσικών αποδεκτών

10. Η απορροή βροχής σε παντορροϊκά δίκτυα – Έλεγχος και μέτρα για τον περιορισμό της ρύπανσης των φυσικών αποδεκτών Τα παντορροϊκά δίκτυα έχουν σαν αποστολή τη μεταφορά τόσο της παροχής ακαθάρτων, όσο και μέρους της παροχής ομβρίων στην εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων. Δεν είναι εντούτοις οικονομικό αλλά και τεχνικά εφικτό να οδηγηθεί όλος ο όγκος απορροής βροχής για όλα τα περιστατικά βροχής στη διάρκεια του έτους στην εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων για επεξεργασία. Στη διάρκεια απορροής βροχής εμφανίζονται στα παντορροϊκά δίκτυα σημαντικά ρυπαντικά φορτία, που όταν υπερχειλίζουν επιβαρύνουν υπερβολικά τους φυσικούς αποδέκτες. Οι επιβαρύνσεις αυτές εμφανίζονται για συγκεκριμένο μόνο χρονικό διάστημα, όσο δηλαδή η απορροή ξεπερνά την παροχή που οδηγείται χωρίς υπερχείλιση προς την Ε.Ε.Λ., μπορεί όμως να αποτελέσουν αθροιστικά σημαντική ρυπαντική πηγή για τον αποδέκτη. Στόχος των μέτρων που σχετίζονται με την απορροή βροχής στα παντορροϊκά δίκτυα είναι ο κατά το δυνατόν περιορισμός των ρυπαντικών φορτίων που υπερχειλίζουν από τα δίκτυα προς τον αποδέκτη. Έτσι, στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες θεσπίστηκαν στο παρελθόν κανόνες για την επιτρεπόμενη σε ετήσια βάση επιβάρυνση των αποδεκτών και στην κατεύθυνση αυτή διαστασιολογούνται πλέον δεξαμενές αποθήκευσης, υπερχειλιστές και γενικά οι διατάξεις που συντελούν στην επίτευξη του στόχου της ελαχιστοποίησης της ρυπαντικής επιβάρυνσης των αποδεκτών. Σημαντικό ρόλο στο μέγεθος των ρυπαντικών φορτίων που υπερχειλίζουν από παντορροϊκά δίκτυα παίζουν οι τοπικές συνθήκες, τα χαρακτηριστικά των δικτύων, τα χαρακτηριστικά των ετήσιων βροχοπτώσεων, η κλίση των αγωγών του δικτύου και η ικανότητα προσωρινής αποθήκευσης που παρουσιάζει το δίκτυο. Η διαστασιολόγηση των απαιτούμενων έργων μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: - με απλοποιητικές μεθόδους διαστασιολόγησης μέσω διαγραμμάτων

171



- με την αναλυτική προσέγγιση του φαινομένου με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων Η/Υ που περιγράφουν χρονοσειρές γεγονότων βροχής, απορροής και μεταφοράς ρυπαντών σε παντορροϊκά δίκτυα. Στόχος και με τις δύο μεθόδους είναι η διαστασιολόγηση των διατάξεων που θα επιτρέψουν τον περιορισμό της ρύπανσης στα επίπεδα που προδιαγράφονται από τους κανονισμούς. 10.1. Μέτρα για την επεξεργασία της απορροής βροχής στα παντορροϊκά δίκτυα Στην επεξεργασία της απορροής βροχής στα παντορροϊκά δίκτυα συντελούν: -

η προσωρινή αποθήκευση μέρους της απορροής σε δεξαμενές και η ετεροχρονισμένη επεξεργασία της στην εγκατάσταση επεξεργασίας λυμάτων

-

η χρήση του αποχετευτικού δικτύου για προσωρινή αποθήκευση μέρους της απορροής με ενεργοποίηση των όγκων που οι ίδιοι οι αγωγοί του δικτύου προσφέρουν

-

επεξεργασία τοπικά και πριν από την εκροή στον φυσικό αποδέκτη μέρους ή και όλης της υπερχειλίζουσας παροχής από τα παντορροϊκά δίκτυα

Εννοείται ότι στην κατεύθυνση αυτή συμβάλλουν και μέτρα περιορισμού της επιφανειακής απορροής ομβρίων που καταλήγει στα δίκτυα, με τη βοήθεια πρόβλεψης επί τόπου διήθησης μέρους της απορροής (π.χ. σε χώρους πάρκινγκ). Στην περίπτωση της προσωρινής αποθήκευσης σε δεξαμενές κατασκευάζονται: -

δεξαμενές διέλευσης ή

-

δεξαμενές αποθήκευσης

Η χρήση του αποθηκευτικού όγκου του δικτύου για προσωρινή κατακράτηση μέρους του όγκου απορροής βροχής επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ενεργοποίησης των αποθεμάτων όγκου των αγωγών του με κατάλληλές διαχειριστικές κινήσεις. Τέλος, η τοπική επεξεργασία υπερχειλίζουσας παροχής προϋποθέτει κατασκευή δεξαμενών καθίζησης, δεξαμενών κατακράτησης ελαίων και λιπών, διαχωριστών άμμου, εγκαταστάσων εσχάρωσης, κ.λ.π.

172



10.2. Κατασκευές υπερχείλισης Οι υπερχειλιστές στα παντορροϊκά δίκτυα κατασκευάζονται ώστε να απομειώνονται οι αιχμές στις παροχές σε περίοδο απορροής βροχής. Η επιλογή της θέσης κατασκευής του υπερχειλιστή πρέπει να λαμβάνει υπ’ όψη της την ελαχιστοποίηση του υπερχειλίζοντος ρυπαντικού φορτίου. Το σχήμα 10.1 παρουσιάζει τη λειτουργία των υπερχειλιστών.

Σχήμα 10.1 : Λειτουργία υπερχειλιστικής διάταξης σε παντορροϊκό δίκτυο 10.3. Δεξαμενές επεξεργασίας Οι δεξαμενές πρέπει να τοποθετούνται σε κατάλληλες θέσεις, για παράδειγμα κατάντη αγωγών που συνήθως έχουν σημαντικές ποσότητες αποθέσεων, οι οποίες αναμένεται ότι θα συμπαρασυρθούν από τις αυξημένες παροχές σε περίοδο βροχής.

10.3.1. Δεξαμενές αποθήκευσης Οι δεξαμενές αυτού του τύπου επιλέγονται όταν αναμένεται έντονο αρχικό ξέπλυμα αποθέσεων και άρα σημαντικό ρυπαντικό φορτίο συγκεντρωμένο στα αρχικά στάδια της απορροής βροχής. Με τις δεξαμενές αυτές επιτυγχάνεται η κατακράτηση συγκεκριμένου αρχικού όγκου απορροής σημαντικού ρυπαντικού φορτίου. Η υπερχειλίζουσα παροχή δεν διέρχεται μέσα από τις δεξαμενές αυτού του 173



τύπου. Ο αποθηκευμένος όγκος οδηγείται μετά το πέρας του φαινομένου για επεξεργασία στην Ε.Ε.Λ. 10.3.2. Δεξαμενές διέλευσης Όσο μεγαλύτερο σε μέγεθος είναι το δίκτυο, τόσο πιο ομοιογενείς από πλευράς ρυπαντικών φορτίων είναι οι απορροές σε περίοδο βροχής. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις επιλέγεται σαν λύση η κατασκευή δεξαμενών διέλευσης που έχουν σαν στόχο τη μηχανική επεξεργασία της παροχής των παντορροϊκών δικτύων στην περίοδο απορροής βροχής. Σε αντίθεση με τις δεξαμενές αποθήκευσης, οι δεξαμενές διέλευσης έχουν υπερχειλιστική διάταξη που τίθεται σε λειτουργία μετά την πλήρωση της δεξαμενής και οδηγεί την πλεονάζουσα παροχή στον αποδέκτη, μετά από τη μηχανική επεξεργασία που αυτή υφίσταται. Για περιορισμό της παροχής που διέρχεται μέσω της δεξαμενής διέλευσης τοποθετείται στα ανάντη υπερχειλιστική διάταξη. Ως εκ τούτου οι δεξαμενές διέλευσης λειτουργούν στη φάση της πλήρωσής τους σαν δεξαμενές αποθήκευσης και στη συνέχεια για τμήμα της παροχής σαν δεξαμενές καθίζησης πριν από την υπερχείλιση προς τον αποδέκτη. Μετά το τέλος της απορροής βροχής το περιεχόμενο της δεξαμενής οδηγείται στην Ε.Ε.Λ. για επεξεργασία. 10.3.3. Δεξαμενές αποθήκευσης – διέλευσης Συνδυασμός των δύο λειτουργιών μπορεί επίσης να προβλέπεται σε ένα τύπο δεξαμενής που συνδυάζει την αποθήκευση και την επεξεργασία. Η απόδοση τους εν τούτοις στη διαδικασία της μηχανικής επεξεργασίας είναι μικρότερη από αυτή των δεξαμενών διέλευσης. 10.3.4. Ενεργοποίηση αποθηκευτικών όγκων αγωγών Σε περίπτωση ύπαρξης αγωγών μεγάλου διαθέσιμου όγκου με διάταξη στραγγαλισμού για περιορισμό της παροχής που διέρχεται κατάντη, σημαντικός όγκος αποθηκεύεται προσωρινά στους αγωγούς αυτούς και αποδίδεται σταδιακά στα κατάντη τμήματα του δικτύου. Ανάλογα με τη θέση κατασκευής του υπερχειλιστή, οι αγωγοί λειτουργούν σαν δεξαμενές αποθήκευσης (υπερχειλιστική διάταξη ανάντη) ή σαν δεξαμενές διέλευσης (υπερχειλιστική διάταξη κατάντη). 174



Στο σχήμα 10.2 παρουσιάζονται οι δύο αυτές περιπτώσεις.

Σχήμα 10.2 : Ενεργοποίηση αποθηκευτικών όγκων στο δίκτυο 10.3.5. Τρόποι ένταξης των δεξαμενών στο δίκτυο αποχέτευσης Όλοι οι παραπάνω τύποι δεξαμενών μπορούν να τοποθετηθούν είτε σε συνέχεια των αγωγών του δικτύου, δηλαδή σε κύρια ή σε πλευρική σύνδεση.

175



Στα σχήματα 10.3 και 10.4 εμφανίζονται οι τρόποι σύνδεσης και για τους τρεις τύπους δεξαμενών που αναφέρθηκαν.

Σχήμα 10.3 : Είδη δεξαμενών και τρόποι σύνδεσης τους στο δίκτυο

176



Σχήμα 10.4 : Είδη δεξαμενών και τρόποι σύνδεσης τους στο δίκτυο Η περίπτωση της κύριας σύνδεσης συνιστάται όταν υπάρχει διαθέσιμη υψομετρική διαφορά μεταξύ εισόδου και εξόδου και όταν υπάρχει περιορισμένη επιλογή στο θέμα της χωροθέτησης της δεξαμενής. Η τοποθέτηση αυτή παρουσιάζει λειτουργικά και κατασκευαστικά πλεονεκτήματα. Οι δεξαμενές διέλευσης είναι προτιμότερο να κατασκευάζονται σε πλευρική σύνδεση αφού με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται μείωση του υπερχειλίζοντος ρυπαντικού φορτίου. Αυτό συμβαίνει γιατί η αρχική παροχή απορροής βροχής που είναι σχετικά χαμηλή και παρουσιάζει μεγάλες ρυπαντικές συγκεντρώσεις λόγω έκπλυσης

αποθέσεων οδηγείται απ΄ ευθείας στην

εγκατάσταση, χωρίς τη μεσολάβηση της δεξαμενής, όταν η σύνδεση της είναι πλευρική. Αν η δεξαμενή δεν εκκενώνεται αμέσως μετά το συμβάν της απορροής βροχής είναι επίσης προτιμότερη η τοποθέτηση σε πλευρική σύνδεση, γιατί άλλως υπάρχει κίνδυνος έκπλυσης του κατακρατηθέντος ρυπαντικού φορτίου, αφού το επόμενο επεισόδιο βροχής μπορεί να προλάβει τη δεξαμενή γεμάτη και να ξεπλύνει το αποθηκευμένο ρυπαντικό φορτίο.

10.4. Απλοποιητική μέθοδος διαστασιολόγησης μέσω διαγραμμάτων Είναι προφανές ότι το προς διαστασιολόγηση μέγεθος είναι ο απαιτούμενος όγκος της δεξαμενής. Για τον υπολογισμό αυτό είναι αυτονόητο ότι σε πρώτη φάση πρέπει να τεθούν οι στόχοι που επιδιώκονται με την κατασκευή των δεξαμενών. Ένα χαρακτηριστικό μέγεθος είναι η παροχή που επιτρέπεται να οδηγηθεί στα κατάντη και άρα προς επεξεργασία στην Ε.Ε.Λ. εκφρασμένη σε l/s.ha. Ένα δεύτερο μέγεθος είναι η επιτρεπόμενη ποσοστιαία εκτόνωση σε σχέση με τον συνολικό όγκο που απορρέει στο δίκτυο. 177



Στο σχήμα 10.5 φαίνεται ένα διάγραμμα υπολογισμού του απαιτούμενου όγκου. Ο συνδυασμός της παροχής που επιτρέπεται να οδηγηθεί

προς τα κατάντη, με την επιτρεπόμενη ποσοστιαία

εκτόνωση, οδηγεί στον απαιτούμενο όγκο δεξαμενής ανά εκτάριο αποχετευόμενης επιφάνειας (VS). Ετσι ο συνολικά απαιτούμενος όγκος προκύπτει: V=VS·Aαδ

(m3)

όπου Ααδ : η αδιαπέρατη επιφάνεια σε ha που εξυπηρετείται από το παντορροϊκό δίκτυο

Σχήμα 10.5 : Απαιτούμενος ειδικός όγκος αποθήκευσης σε συνάρτηση με την επιτρεπόμενη απορροή προς τα κατάντη και την επιτρεπόμενη εκτόνωση Επισημαίνεται ότι ο συγκεκριμένος πίνακας διαστασιολόγησης έχει προκύψει για γερμανικά δεδομένα βροχής και ως εκ τούτου παρέχει μόνο ενδεικτικά στοιχεία ως προς τα πιθανά απαιτούμενα μεγέθη δεξαμενών για τον ελληνικό χώρο. Στην περίπτωση της Θεσσαλονίκης έχουν συνταχθεί μελέτες σχετικά με τον απαιτούμενο αποθηκευτικό όγκο πριν από την είσοδο της παροχής του παντορροικού δικτύου της πόλης στην Ε.Ε.Λ.

178



10.5. Αναλυτική προσέγγιση με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων Για τη διαστασιολόγηση των δεξαμενών και την εξασφάλιση της επίτευξης των στόχων περιορισμού της ρύπανσης, χρησιμοποιούνται εδώ και πάνω από δύο δεκαετίες ευρέως μοντέλα περιγραφής της απορροής και της μεταφοράς ρυπαντών σε παντορροϊκά δίκτυα αποχέτευσης. Τα μοντέλα αυτά στηρίζονται σε διάφορες μεθόδους μαθηματικής προσέγγισης του φαινομένου. Έτσι ξεχωρίζουμε μοντέλα που στηρίζονται σε: -

Υδρολογικές εμπειρικές μεθόδους

-

Υδρολογικά ντετερμινιστικά μοντέλα

-

Υδρολογικά – υδροδυναμικά ντετερμινιστικά μοντέλα

Η ποιότητα των αποτελεσμάτων δεν εξαρτάται τόσο από το πόσο αναλυτικό και λεπτομερειακό είναι το χρησιμοποιούμενο μοντέλο, όσο από το πόσο προσεκτικά έχει γίνει η επιλογή των παραμέτρων που απαιτεί κάθε ένα από τα παραπάνω μοντέλα. Κατ’ ελάχιστον πάντως απαιτούνται: -

η κατά το δυνατόν λεπτομερειακή γνώση της επιφάνειας απορροής και του αποχετευτικού δικτύου

-

η κατά το δυνατόν αξιόπιστη γνώση των τοπικών συνθηκών αναφορικά με τις βροχοπτώσεις

-

η ύπαρξη δυνατότητας υπολογισμού χρονοσειράς επεισοδίων, ώστε να καλύπτεται υπολογιστικά και το γεγονός της ύπαρξης ενδιάμεσων περιόδων ξηρού καιρού

-

η κατά το δυνατόν ικανοποιητική εκτίμηση της παροχής ακαθάρτων

-

ικανοποιητική περιγραφή του φαινομένου της μεταφοράς των ρυπαντών εντός του δικτύου.

179


11. Διαστασιολόγηση υπερχειλιστικών διατάξεων σε δίκτυα αποχέτευσης

11. Διαστασιολόγηση υπερχειλιστικών διατάξεων σε δίκτυα αποχέτευσης Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο για τον περιορισμό των ρυπαντικών φορτίων που οδηγούνται στον αποδέκτη σε περίοδο απορροής βροχής στα παντορροϊκά δίκτυα, προβλέπεται η κατασκευή δεξαμενών και υπερχειλιστκών διατάξεων. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις αρχές υπολογισμού υπερχειλιστικών διατάξεων. 11.1. Υπερχειλιστής μετωπικής ροής Οι υπερχειλιστές μετωπικής ροής μπορούν να λειτουργήσουν σαν υπερχειλιστές ελεύθερης ή και βυθισμένης υπερχειλιστικής φλέβας. Η υπερχειλίζουσα παροχή υπολογίζεται από την εξίσωση (1)

Qυπερ =

2 3/ 2 ⋅ μ ⋅ c ⋅ lυπερ ⋅ 2 g ⋅ hυπερ 3

(1)

ενώ το ύψος υπερχείλισης υπολογίζεται από την εξίσωση (2)

hυπερ = (

3 ⋅ Qυπερ 2 ⋅ μ ⋅ c ⋅ lυπερ ⋅ 2 g

)2/3

(2)

Στις εξισώσεις αυτές η επίδραση της μορφής του υπερχειλιστή και του είδους της υπερχείλισης εκφράζεται μέσω των παραμέτρων μ και c. - Για την περίπτωση υπερχειλιστή λεπτής στέψης

μ = 0,62

- Για οποιαδήποτε άλλη περίπτωση

μ = 0,50

Η περίπτωση μη ελεύθερης υπερχειλιστικής φλέβας (βυθισμένη υπερχείλιση) οδηγεί σε τιμή της παραμέτρου c < 1 σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα 11.1 και την εξίσωση (3) :

c = 1 − ( h'

hυπερ

)n

(3)

με n = 2 για υπερχειλιστή λεπτής στέψης.

180



Για άλλους υπερχειλιστές είναι n = 3 για στρογγυλεμένη επιφάνεια υπερχειλιστή και n=4 για ορθογωνική μορφή υπερχειλιστή. Η ύπαρξη φράγματος επιπλεόντων (λεπίδα επιπλεόντων) πριν από την υπερχειλιστική διάταξη δεν απαιτεί ιδιαίτερη μεταχείριση, όταν η απόσταση της λεπίδας από τον υπερχειλιστή είναι μεγαλύτερη από 0,3m ή 2.maxhυπερ.

Σχήμα 11.1 : Υπερχειλιστής λεπτής στέψης μετωπικής ροής

181



Διάγραμμα 11.1: Τιμή του c για βυθισμένη υπερχείλιση σε υπερχειλιστή λεπτής στέψης μετωπικής ροής 11.2. Υπερχειλιστής πλευρικής ροής Οι υπερχειλιστές πλευρικής ροής τοποθετούνται συχνά πριν από τις δεξαμενές αποθήκευσης ή διέλευσης με στόχο να εκτονώσουν την πλεονάζουσα παροχή. Και αυτοί οι υπερχειλιστές μπορούν να λειτουργήσουν με ελεύθερη πτώση ή με βυθισμένη φλέβα.

182



Συνιστάται στην εισροή, για κρίσιμη παροχή (Qcr), η τιμή του αριθμού Froude να μην υπερβαίνει την τιμή Fr = 0,75 σε μήκος τουλάχιστον ίσο με 20 φορές τη διάμετρο του αγωγού προσαγωγής ή 20 φορές το βάθος ροής στον ίδιο αγωγό. Μόνο σ’ αυτές τις συνθήκες έχει ισχύ ο προσεγγιστικός υπολογισμός του υπερχειλιστή. Κάτω από αυτές τις συνθήκες έχουν και εδώ εφαρμογή οι εξισώσεις της προηγούμενης παραγράφου με την προϋπόθεση ιδιαίτερου υπολογισμού της ελεύθερης επιφάνειας του νερού που διαμορφώνεται κατά μήκος του υπερχειλιστή όπως χαρακτηριστικά φαίνεται στα σχήματα 11.2 και 11.3.

Σχήμα 11.2 : Μορφή ελεύθερης επιφάνειας νερού σε πλευρικούς υπερχειλιστές

για συνθήκες

υποκρίσιμης ροής

183



Σχήμα 11.3 : Ορισμός μεγεθών για διαστασιολόγηση πλευρικών υπερχειλιστών Σημειώνεται ότι τα ίδια ισχύουν τόσο για στραγγαλισμένη όσο και για ελεύθερη κατάντη απορροή. Η παροχή που υπερχειλίζει είναι συνάρτηση του μέσου ύψους υπερχείλισης: μεσο Qυπερ = f (hυπερ )

(4)

όπου το μέσο ύψος υπερχείλισης δίνεται από τη σχέση

2 u μεσο ο ο hυπερ = hυπερ + (hυπερ − hυπερ ) 3

(5)

Για αριθμό Froude (Fr ≤ 0,75) η γραμμή της ελεύθερης επιφάνειας του νερού πάνω από τον υπερχειλιστή είναι παραβολοειδής. Ο αριθμός Froude υπολογίζεται από τη σχέση

Fro =

Q g⋅A A⋅ b

(6)

που για κυκλικούς αγωγούς απλοποιείται στη σχέση

Fro =

Qo g ⋅ d o ⋅ ho4

(7)

184



Γίνεται η παραδοχή ότι οι απώλειες ενέργειας ροής κατά μήκος του υπερχειλιστή είναι αμελητέες. Αν συνυπολογιστούν και αυτές τότε ισχύει:

ho +

V 2 B ,o V 2B,u + Δs = h u + + hv 2g 2g

(8)

Για τον υπολογισμό των απωλειών ισχύει:

hv =

1 ( J E ,o + J E ,u ) ⋅ lυπερ 2

(9)

όπου JE,o, JE,u : η κλίση της γραμμής ενέργειας στο ανάντη και κατάντη άκρο του υπεχειλιστή. Αντίστοιχα υπολογίζονται και οι διπλοί υπερχειλιστές. 11.3. Έργα επηρεασμού της παροχής υπό πίεση Μετά από υπερχειλιστές προβλέπονται συνήθως αγωγοί στραγγαλισμού της ροής με τη βοήθεια των οποίων επιτυγχάνεται ρύθμιση της επιθυμητής κατάντη παροχής και εξαναγκάζεται η πλεονάζουσα παροχή σε υπερχείλιση. Σε τομή εμφανίζεται στο σχήμα (11.4) μια τέτοια διάταξη στραγγαλισμού. Πρέπει να τηρείται: -

ελάχιστη διάμετρος : 200mm

-

μέγιστη διάμετρος :

500mm

-

ελάχιστο μήκος :

20du

-

μέγιστο μήκος :

100m

-

σχέση lD/du κατά το δυνατόν υψηλή

-

μέγιστη κλίση πυθμένα JSo,u : 3,0 ‰

Στους υδραυλικούς υπολογισμούς να λαμβάνεται: -

Kb=0,25 mm

-

Συντελεστής απωλειών εισόδου ζe=0,45

-

Γραμμή ενέργειας για ελεύθερη έξοδο στην άντυγα του αγωγού στραγγαλισμού

185



Η διαστασιολόγηση του αγωγού στραγγγαλισμού έχει ως εξής:

Δhd ,κρ = (ζ ε + 1) ⋅

vu2 + J E ⋅ lD 2g

Δhd ,κρ = su + J So ,u ⋅ lD − du ⋅ m

su ≥ du +

2vu2 2g

(10)

(11)

(12)

Σχήμα 11.4 : Αγωγός στραγγαλισμού παροχής

186

12. Μείωση της απορροής βροχής σε αστικές και ημιαστικές επιφάνειες – Η διήθηση της απορροής ομβρίων


12. Μείωση της απορροής βροχής σε αστικές και ημιαστικές επιφάνειες – Η διήθηση της απορροής ομβρίων 12.1. Βασικά στοιχεία των μηχανισμών διήθησης Τα παρακάτω είδη διήθησης είναι τα συνήθως χρησιμοποιούμενα για την μείωση της απορροής ομβρίων: 1. Επιφανειακή διήθηση 2. Διήθηση σε τεχνητές κοιλότητες 3. Διήθηση με τη βοήθεια διηθητικών αγωγών ή τάφρων 4. Διήθηση με χρήση διηθητικών φρεατίων Από την πρώτη προς την τέταρτη μέθοδο διήθησης αυξάνεται ο κίνδυνος επίδρασης των διηθούμενων ποσοτήτων στην ποιότητα των υπόγειων νερών. Στην επιφανειακή διήθηση (Σχήμα 12.1) τα όμβρια διηθούνται, χωρίς προηγούμενη συγκέντρωση τους, στις διαπερατές επιφάνειες των γηπέδων, σχολικών αυλών, χώρων πάρκινγκ, κ.λπ. Για να είναι αποτελεσματική η λύση αυτή, πρέπει η διηθητική ικανότητα των διαθέσιμων επιφανειών να είναι μεγαλύτερη του όγκου που απορρέει. Η μέθοδος της διήθησης σε τεχνητά διαμορφώμενες διαπερατές κοιλότητες είναι μια εναλλακτική λύση επιφανειακής διήθησης. Στην περίπτωση αυτή (Σχήμα 12.2) προβλέπεται και μια προσωρινή αποθήκευση όγκου ομβρίων προς διήθηση. Η εφαρμογή αυτή προκρίνεται σε περιπτώσεις ύπαρξης ανεπένδυτων επιφανειών σε αστικές επιφάνειες αλλά και σε χώρους πρασίνου παράλληλα σε δρόμους και πάρκα. Στην περίπτωση των διηθητικών αγωγών ή τάφρων τα όμβρια διατίθενται είτε σε επιφανειακές τάφρους που είναι γεμάτες με χαλίκια, είτε σε διάτρητους αγωγούς υπεδάφια που έχουν τοποθετηθεί σε στρώσεις φίλτρου διευκολύνοντας την υπεδάφια διήθηση. Συνήθως γίνεται συνδυασμός των δύο τρόπων διήθησης. Στο σχήμα 12.3 φαίνεται ένας τέτοιος συνδυασμός διηθητικών τάφρων και αγωγών υπεδάφιας διήθησης. Στην περίπτωση των διηθητικών φρεατίων (Σχήμα 12.4) οδηγούνται τα όμβρια σ’ ένα διαπερατό φρεάτιο και από εκεί διηθούνται στο έδαφος. Η ικανότητα αποθήκευσης στο φρεάτιο επιτρέπει 187



στους υπολογισμούς να εμφανίζεται μικρότερη διηθητική ικανότητα από την απορρέουσα παροχή των ομβρίων. Συνήθως αυτή η λύση υιοθετείται σε περιπτώσεις μεμονωμένων οικιστικών μονάδων και μικρών σχετικά επιφανειών.

Σχήμα 12.1 : Επιφανειακή διήθηση σε διαπερατές επιφάνειες

Σχήμα 12.2 : Διήθηση σε τεχνητές κοιλότητες

188



Σχήμα 12.3 : Διήθηση με χρήση διηθητικών τάφρων και αγωγών υπεδάφιας διάθεσης

Σχήμα 12.4 : Διήθηση με χρήση διηθητικών φρεατίων

189



12.2. Βασικές αρχές υπολογισμού 12.2.1. Περίοδος επαναφοράς της βροχής υπολογισμού Η περίοδος επαναφοράς επιλέγεται συνήθως ίση με Τ=0,2 δηλαδή ο υπολογισμός γίνεται για βροχή πενταετίας. 12.2.2. Διάρκεια της βροχής υπολογισμού Για την περίπτωση της διήθησης χωρίς δυνατότητα προσωρινής αποθήκευσης χρησιμοποιείται για τους υπολογισμούς βροχή διάρκειας t=10min. Για μεγαλύτερες επιφάνειες απορροής επιλέγεται συχνά και βροχή διάρκειας t=15min. Για εγκατάσταση διήθησης ομβρίων με δυνατότητα προσωρινής αποθήκευσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάρκειες βροχής ως t=30min. 12.2.3. Υπολογισμός απορροής Για τον υπολογισμό της απορροής γίνεται η παραδοχή της ομοιόμορφης κατανομής της βροχής σε όλη τη διάρκειά της κι έτσι η μετατροπή της βροχής σε απορροή γίνεται με τη βοήθεια του τύπου:

Q = 10 −7 ⋅ rυπολ ⋅ Aαδιαπ .

σε m3/s

(1)

όπου rυπολ: η ένταση της βροχής υπολογισμού (l/s.ha) Aαδιαπ.: η επιφάνεια απορροής (m2) 12.2.4. Η διαδικασία υπολογισμού της διηθητικής ικανότητας Βάση του υπολογισμού αποτελεί ο νόμος του Darcy, που εφαρμόζεται εδώ για ακόρεστη ζώνη: Vf,a = Kf,a · I

(m/s)

(2)

όπου Kf,a: ο συντελεστής αδιαπερατότητας της ακόρεστης ζώνης (m/s) Ι: υδραυλική κλίση

(-)

190



Ο συντελεστής διαπερατότητας της ακόρεστης ζώνης εκφράζεται σαν Kf,a = Kf/2

(3)

όπου Kf: ο συντελεστής διαπερατότητας της κορεσμένης ζώνης Η υδραυλική κλίση Ι υπολογίζεται σύμφωνα με το σχήμα 12.5 με την εξίσωση:

I=

lS + Z lS + Z / 2

(4)

όπου l S : η απόσταση του πυθμένα διήθησης από τη στάθμη του υπόγειου ορίζοντα Ζ: βάθος νερού στην τάφρο διήθησης

Σχήμα 12.5 : Αναπαράσταση των διηθητικών οδών στην τάφρο διήθησης έτσι η ταχύτητα διήθησης είναι:

V f ,ακ = K f ⋅ (l S + Z ) /( 2l s + Z )

(m/s)

(5)

και η διηθούμενη παροχή:

QS = V f ,ακ ⋅ AS ,W

(m3/s)

(6)

όπου ΑS,W: η ενεργή επιφάνεια διήθησης (m2) Vf,ακ: ταχύτητα διήθησης στην ακόρεστη ζώνη (m/s) 191



12.2.5. Διαστασιολόγηση των εγκαταστάσεων διήθησης 12.2.5.1.

Επιφανειακή διήθηση

Η απαιτούμενη επιφάνεια διήθησης ΑS πρέπει να επιτρέπει τη διήθηση της απορροής υπολογισμού και υπολογίζεται με τη βοήθεια της εξίσωσης:

AS = Aαδ /[(10 7 ⋅ K f ) /(2rυπ ) − 1]

(m2)

(7)

όπου ΑS: διαθέσιμη επιφάνεια διήθησης (m2) Ααδ: αδιαπέρατη αποχετευόμενη επιφάνεια (m2) Κf: συντελεστής διαπερατότητας κορεσμένης ζώνης (m/s) rυπ: ένταση βροχής υπολογισμού (l/s.ha) Παράδειγμα: Δεδομένα

Ααδ=1500m2 , Kf=10-4 m/s

Βροχή υπολογισμού

rυπ=180 l/s.ha

Περίοδος επαναφοράς

Τ=0,2 έτη

Διάρκεια βροχής υπολογισμού

t=15min

Απαιτούμενη επιφάνεια:

AS = 1500 /[(10 7 ⋅ 10 −4 ) /(2 ⋅ 180) − 1] = 844m 2 12.2.5.2.

Διήθηση σε τεχνητές κοιλότητες

Η λύση αυτή επιλέγεται όταν για την επιφανειακή διήθηση δεν υπάρχει επαρκής διαθέσιμη επιφάνεια. Συνήθως επομένως είναι υπολογισμένη η απαιτούμενη επιφάνεια ΑS και αναζητείται ο απαιτούμενος όγκος VS της τεχνητής κοιλότητας. Ο απαιτούμενος όγκος προκύπτει σαν η διαφορά του όγκου απορροής ομβρίων μετά την αφαίρεση του διηθούμενου όγκου βάσει της διαθέσιμης επιφάνειας.

192



VS = (ΣQZ − ΣQS ) ⋅ t ⋅ 60

(8)

ή

VS = ( Aαδ + AS ) ⋅107 ⋅ rυπ ⋅ t ⋅ 60 − AS ⋅ t ⋅ 60 ⋅ K f / 2

(m3)

(9)

όπου VS: ο απαιτούμενος αποθηκευτικός όγκος (m3) Ααδ: η αδιαπέρατη αποχετευόμενη επιφάνεια (m2) AS: διαθέσιμη επιφάνεια διήθησης (m2) Kf: συντελεστής διαπερατότητας της κορεσμένης ζώνης (m/s) rυπ: η βροχή υπολογισμού (l/s.ha) t: διάρκεια της βροχής (min)

12.2.5.3.

Διήθηση με τη βοήθεια διηθητικών αγωγών / τάφρων

Ο υπολογισμός γίνεται με αντίστοιχο τρόπο με αυτόν που περιγράφηκε για την μέθοδο των τεχνητών κοιλοτήτων. Ο χρόνος υπολογισμού για τον απαιτούμενο αποθηκευτικό όγκο είναι ίσος με τη διάρκεια της κρίσιμης βροχής υπολογισμού. Υποτίθεται σταθερός συντελεστής διαπερατότητας για όλη τη διάρκεια του φαινομένου. Η ταχύτητα διήθησης υπολογίζεται ως εξής:

V f ,αδ = K f / 2

(m/s)

(10)

με την παραδοχή ότι το βάθος του νερού Ζ=0. Η ενεργή επιφάνεια διήθησης ΑS υπολογίζεται από το μήκος της τεχνητής κοιλότητας επί το ενεργό πλάτος διήθησης bW. Γίνεται παραδοχή ότι ο πυθμένας είναι πάντοτε ενεργός για διήθηση και ότι η διαθέσιμη επιφάνεια προσαυξάνεται με την επιφάνεια των πρανών για βάθος Ζ/2 εκατέρωθεν. Έτσι είναι:

bW = b + 2h / 4 = b + h / 2

(m)

(11)

193



b: Πλάτος της τεχνητής κοιλότητας h: ωφέλιμο ύψος της τεχνητής κοιλότητας Έτσι, η ενεργή επιφάνεια διήθησης είναι:

AS = bW ⋅ L = (b + h / 2) ⋅ L

(m2)

(12)

και η παροχή διήθησης:

QS = (b + h / 2) ⋅ L ⋅ K f / 2

(m3/s)

(13)

ο δε απαιτούμενος αποθηκευτικός όγκος:

VS = Aαδ ⋅10−7 ⋅ rυπ ⋅ t ⋅ 60 − (b + h / 2) ⋅ L ⋅ t ⋅ 60 ⋅ K f / 2

(m3)

(14)

Για τον αποθηκευτικό όγκο ισχύει γενικά ο τύπος:

VS = b ⋅ h ⋅ L ⋅ S

(15)

όπου S: συντελεστής αποθηκευτικότητας που υπολογίζεται διαφορετικά για τους διηθητικούς αγωγούς και για τις τεχνητές κοιλότητες. Για τις τεχνητές κοιλότητες το S αντιπροσωπεύει το ποσοστό των κενών στο πορώδες μέσο (χαλίκι). Για τους αγωγούς διήθησης το S προκύπτει από τη διαθέσιμη διατομή του αγωγού διήθησης και το ποσοστό κενών του πορώδους μέσου (φίλτρου) που περιβάλλει τον αγωγό. Το μήκος που απαιτείται προκύπτει από την επίλυση της εξίσωσης (14) ως προς το μήκος L.

L = Aαδ ⋅10−7 ⋅ rυπ ⋅ t ⋅ 60 /[b ⋅ h ⋅ S + (b + h / 2) ⋅ t ⋅ 60 ⋅ K f / 2]

(m)

(16)

194



12.2.5.4.

Διήθηση με τη βοήθεια διηθητικών φρεατίων

Στο σχήμα 12.6 αποτυπώνονται τα απαιτούμενα στοιχεία για τον υπολογισμό. Ισχύουν κατ’ αρχήν οι εξισώσεις:

V f ,ακ = K f ⋅ (l S + Z ) /( 2l S + Z ) QS = V f ,ακ ⋅ AS

(m/s)

(17)

(m3/s)

(18)

όπου As η ενεργή επιφάνεια διήθησης.

Σχήμα 12.6 : Υπολογισμός της ενεργής επιφάνειας διήθησης στα διηθητικά φρεάτια

195



Για τον υπολογισμό της ενεργής επιφάνειας διήθησης γίνονται οι εξής παραδοχές: -

η επιφάνεια του πυθμένα του φρεατίου δε συμμετέχει ενεργά στη διήθηση, αφού γίνεται η παραδοχή ότι μετά από κάποιο χρονικό διάστημα και λόγω των καθιζανόντων αιωρούμενων στερεών η διηθητικότητα της επιφάνειας αυτής περιορίζεται κατά πολύ.

-

Σαν ενεργή επιφάνεια διήθησης αντίθετα θεωρείται ένας δακτύλιος στο ύψος του πυθμένα, περί το φρεάτιο διήθησης, με πλάτος ίσο με το ήμισυ του βάθους του νερού μέσα στο φρεάτιο (Ζ/2).

Ως εκ τούτου η επιφάνεια διήθησης υπολογίζεται ως:

AS = π ⋅ [( R + Z / 2) 2 − R 2 ] = π ⋅ ( R ⋅ Z + Z 2 / 4)

(m2)

(19)

όπου Ζ: το βάθος του νερού στο φρεάτιο (m) R = R1 + d R1: εσωτερική ακτίνα του φρεατίου (m) d: πάχος τοιχώματος του φρεατίου (m) κι έτσι η διηθούμενη ποσότητα προκύπτει ως εξής:

QS = [ K f (l S + Z ) /(2l S + Z )] ⋅ π ⋅ ( R ⋅ Z + Z 2 / 4)

(m3/s)

(20)

Η διαστασιολόγηση του φρεατίου προκύπτει από την εξίσωση συνέχειας σύμφωνα με την οποία: παροχή απορροής – διήθηση = αύξηση της αποθηκευμένης ποσότητας Στους πίνακες που ακολουθούν έχουν κωδικοποιηθεί τα αποτελέσματα των παραπάνω υπολογισμών. Έτσι δίδονται τα βάθη των φρεατίων διήθησης που απαιτούνται για διάφορους συνδυασμούς (π.χ. για αποχετευόμενη επιφάνεια Ααδ=200 m2, για περιοχή με ένταση βροχής υπολογισμού r15(1)=100 l/s.ha και συντελεστή διηθητικότητας Kf=5·10-4 m/s). Προκύπτει για φρεάτιο DN 1200mm, απαιτούμενο ύψος Ζ=2,02.

196



197



Η αναφορά στους πίνακες σε r15(1)=100

ή 200 l/s.ha γίνεται ώστε να υπάρχει η δυνατότητα

διαφοροποίησης μεταξύ περιοχών με μικρότερη και μεγαλύτερη ραγδαιότητα βροχής. Ο υπολογισμός που δίνει τα αποτελέσματα των πινάκων αυτών έχει γίνει για βροχή με χρόνο επαναφοράς την 5ετία (δηλ, T=0,2). Παράδειγμα υπολογισμού Δίνονται: •

Επιφά

•

νεια αποχέτευσης Ααδ=250 m2

•

Βροχή υπολογισμού 15min(T=1) r15(1)=140 l/s.ha

•

Συντελεστής διαπερατότητας Κf=5·10-5 m/s

Επιλέγεται: •

Φρεάτιο διαμέτρου : DN=1500mm

Από τους πίνακες πρέπει να γίνουν παρεμβολές κατ’ αρχήν αναφορικά με την αποχετευόμενη επιφάνεια και στην συνέχεια αναφορικά με την ένταση της βροχής υπολογισμού (r15,1). Αυτό πρέπει να γίνει για τα μεγέθη Zmax, VS και QS διαδοχικά. Για το Zmax:

r15(1) (l/s.ha)

Aαδ 200 m2

400 m2

100

2,28

4,38

200

4,38

8,20

α) Παρεμβολή ως προς την επιφάνεια: για 100 l/s.ha Zmax(250m2) = 2,28 + (4,38 – 2,28) · 50/200 = 2,81 m για 200 l/s.ha Zmax(250m2) = 4,38 + (8,20 – 4,38) · 50/200 = 5,34 m

198



β) Παρεμβολή ως προς την ένταση της βροχής: Zmax[250m2,140 l/s.ha] = 2,81 + (5,34 – 2,81) · 40/100 = 3,82 m Αντίστοιχα προκύπτουν και τα μεγέθη VS και QS: VS,max[250m2,140 l/s.ha] = 6,75 m3 QS,max[250m2,140 l/s.ha] = 0,72 l/s Ο χρόνος της κρίσιμης βροχόπτωσης είναι στην περίπτωση αυτή όπως προκύπτει από τους πίνακες κοντά στα 60min. Ως εκ τούτου: Ωφέλιμο βάθος στο φρεάτιο διήθησης: 3,8 m περίπου

199

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ



200



Appendix 1 : Απόσπασμα του διαγράμματος του Moody

Μεγέθυνση του διαγράμματος Moody στην περιοχή που συνήθως χρησιμοποιείται έχει καταχωρηθεί στη συνέχεια. Περιλαμβάνονται περισσότερες τιμές της παραμέτρου d/k. Περιοχή χρήσης είναι για: 105 ≤ Re ≤ 107

201


Appendix 2:


Υπολογισμός σίφωνα

Ο υπολογισμός που ακολουθεί ισχύει μόνο για σίφωνα ενός αγωγού. Η εξίσωση υπολογισμού πρέπει να συσχετιστεί με το σχήμα 1 του σίφωνα. Ο υπολογισμός εξυπηρετεί με πολύ καλή προσέγγιση τις υπολογιστικές ανάγκες μιας μελέτης.

Σχήμα 1 : Σχηματική τιμή του σίφωνα για τον υδραυλικό υπολογισμό του 202



Είναι: ha : ύψος γραμμής ενέργειας ανάντη hk : ύψος γραμμής ενέργειας κατάντη hr : συνολικές απώλειες μεταξύ της ανάντη και της κατάντη διατομής hS : υψομετρική διαφορά μεταξύ πυθμένα αγωγού εισροής και πυθμένα αγωγού εκροής από τον σίφωνα Είναι : ha + hs = hr + hk

(1)

επίσης:

U a2 ha = ta + 2g U k2 hk = tk + 2g n

n

i =1

i =1

hr = hεισ . + ∑ hri + ∑ hki + hεξ .

όπου hεισ .

U σ2 = λεισ . ⋅ 2g

(m)

με λεισ. = 0,25 για στρογγυλεμένη είσοδο λεισ. = 0,50 για κανονική είσοδο Απώλειες τριβής :

n

n

i =1

i =1

∑ hri = ∑ jr ⋅ lσ

Jr : κλίση γραμμής ενέργειας λόγω απωλειών με Κb = 0,25 mm ως 1,0 mm n

Απώλειες στις γωνίες :

n

∑h = ∑λ i =1

ki

i =1

Απώλεια στην έξοδο : hεξ . = λα ⋅ (

ki ⋅

Uσ2 2g

Uσ2 U k2 − ) 2g 2g

με λki ≈ 0

με λα = 0.75

203



Η εξίσωση (1) μετασχηματίζεται σε :

ta +

n v 2a v2 U2 n U2 U2 U2 + hs = tk + k + 0,50 ⋅ σ + ∑ J r ⋅ lσ + ∑ λki ⋅ σ + 0, 75 ⋅ ( σ − k ) 2g 2g 2 g i =1 2g 2g 2g i =1

ή

hs = (tk − ta ) + (0, 25 ⋅

n U k2 U a2 U2 n U2 − ) + 1, 25 ⋅ σ + ∑ J r ⋅ lσ + ∑ λκι ⋅ σ 2g 2g 2 g i =1 2g ι =1

Απλοποιητικά και για κατ’ αρχήν υπολογισμούς μπορεί να θεωρηθεί n

επίσης :

∑ lσ i =1

n

= lσ

∑ λki ⋅ i =1

U a2 U k2 ≈ ≈0 2g 2g

Uσ2 ≈0 2g

και έτσι hs = (tk − ta ) + 1, 25 ⋅

Uσ2 + J r ⋅ lσ 2g

(m)

και η υψομετρική διαφορά των σταθμών νερού ανάντη και κατάντη του σίφωνα δίνεται από τη σχέση :

Δh = 1, 25 ⋅

Uσ2 + J r ⋅ lσ 2g

(m

204



Appendix 3 : Στο παράρτημα αυτό έχουν περιληφθεί :

-

Στη σελίδα Α3.1 οι καμπύλες μερικής πλήρωσης για κυκλικούς και ωοειδείς αγωγούς (κατά Thormann)

-

Στη σελίδα Α3.2 και Α3.3 οι παροχές και οι ταχύτητες για πλήρεις κυκλικούς αγωγούς με διάφορες διαμέτρους και κλίσεις για Κ=1,0 mm (Α3.2) και Κ=1,5 mm (A3.3)

-

Στη σελίδα Α3.4 οι παροχές και οι ταχύτητες για πλήρεις ωοειδείς αγωγούς με διάφορες διαστάσεις και κλίσεις και για Κ=1,5 mm

-

Στη σελίδα Α3.5 οι καμπύλες μερικής πλήρωσης για κανονικούς στοματοειδείς / πεταλοειδείς αγωγούς

-

Στη σελίδα Α3.6 οι καμπύλες μερικής πλήρωσης για υπερυψωμένες ωοειδείς και πεπλατυσμένες ωοειδείς διατομές

-

Στη σελίδα Α3.7 οι καμπύλες μερικής πλήρωσης για πεπιεσμένες ωοειδείς και υπερυψωμένες στοματοειδείς / πεταλοειδείς διατομές

-

Στη σελίδα Α3.8 και Α3.9 τα νομογραφήματα υπολογισμού των παροχών και των ταχυτήτων για πλήρεις κυκλικούς αγωγούς για διάφορες κλίσεις και διαμέτρους και για τραχύτητα Κ=1,50 mm και Κ=1,0 mm αντίστοιχα

-

Στη σελίδα Α3.10 νομογράφημα για υπολογισμό παροχών και ταχυτήτων για πλήρεις κανονικούς ωοειδείς αγωγούς για διάφορες κλίσεις και διαστάσεις και για τραχύτητα Κb=1,5 mm

-

Στη σελίδα Α3.11 νομογράφημα για υπολογισμό παροχών και ταχυτήτων για πλήρεις κανονικούς στοματοειδείς / πεταλοειδείς αγωγούς για διάφορες κλίσεις και διαστάσεις και για τραχύτητα Κb=1,5 mm

-

Στη σελίδα Α3.12 το ίδιο νομογράφημα για πλήρεις πεπλατυσμένες ωοειδείς διατομές

-

Στη σελίδα Α3.13 το ίδιο νομογράφημα για πλήρεις υπερυψωμένες ωοειδείς διατομές

-

Στη σελίδα Α3.14 το ίδιο νομογράφημα για πλήρεις πεπιεσμένες στοματοειδείς διατομές

-

Στη σελίδα Α3.15 το ίδιο νομογράφημα για υπερυψωμένες στοματοειδείς / πεταλοειδείς διατομές

205



206



207



208



209



210



211



212



213



214



215



216



217



218



219



220



Appendix 4 : Στο παράρτημα αυτό έχουν περιληφθεί :

-

Στη σελίδα Α4.1 η τυποποίηση των ανοικτών ορθογωνικών αγωγών για τους οποίους παρουσιάζονται στη συνέχεια τα νομογραφήματα

-

Στη σελίδα Α4.2 νομογράφημα για την εύρεση ταχύτητας και βάθους ροής για διάφορες παροχές για συντελεστή τραχύτητας

1 = 70 και κλίση J=10‰ για ορθογωνικούς αγωγούς n

τύπου Α -

Στη σελίδα Α4.3 νομογράφημα για την εύρεση ταχύτητας και βάθους ροής για διάφορες παροχές για συντελεστή τραχύτητας

1 = 70 και κλίση J=10‰ για ορθογωνικούς αγωγούς n

τύπου Β -

Στη σελίδα Α4.4 για την εύρεση ταχύτητας και βάθους ροής για διάφορες παροχές για συντελεστή τραχύτητας

-

1 = 70 και κλίση J=10‰ για ορθογωνικούς αγωγούς τύπου C n

Στη σελίδα Α4.5 ο τρόπος υπολογισμού της ισοδύναμης κλίσης για ορθογωνικούς αγωγούς Α, B, C

-

Στη σελίδα Α4.6 νομογράφημα υπολογισμού ταχύτητας και βάθους ροής για τριγωνικούς ανοικτούς αγωγούς (γωνίας 90ο) για

-

1 = 70 και για διάφορες κλίσεις και παροχές n

Στη σελίδα Α4.7 νομογράφημα νομογράφημα υπολογισμού ταχύτητας και βάθους ροής για τριγωνικούς ανοικτούς αγωγούς (γωνίας 60ο) για

1 = 70 και για διάφορες κλίσεις και n

παροχές -

Στις σελίδες που ακολουθούν παρουσιάζεται με τη βοήθεια παραδείγματος η χρήση των νομογραφημάτων που περιλαμβάνονται στο Appendix 4.

221



222



223



224



225



226



227



228



Παράδειγμα Υδραυλικού υπολογισμού ανοικτών αγωγών Στο σημείο αυτό παρουσιάζεται ο υπολογισμός της ροής σε ανοικτούς αγωγούς σύμφωνα με την εξίσωση Gauckler – Manning – Strickler :

U=

1 1/ 2 2 / 3 ⋅J ⋅R n

(m/s)

και για την παροχή Q :

1 Q = A ⋅ U = A ⋅ ⋅ J 1/ 2 ⋅ R 2 / 3 n

(m3/s)

Για τη διευκόλυνση των υπολογισμών, για την περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται υπολογιστικό πρόγραμμα Η/Υ και για καλλίτερη εποπτεία χρησιμοποιούνται τα νομογραφήματα των σελίδων Α4.2 ως Α4.4 τα οποία έχουν συνταχθεί για: κλίση J = 10 ‰ και τραχύτητα

1 = 70 m1/3/s n

Για τη μετατροπή των αποτελεσμάτων για οποιαδήποτε κλίση και τραχύτητα χρησιμοποιούνται οι συντελεστές cJ για τη μετατροπή της κλίσης και ck για την τραχύτητα σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο : U = cJ · cK · U10 Q = cJ · cK · Q10 όπου τα U10 και Q10 διαβάζονται από τα νομογραφήματα των σελίδων Α4.2 ως Α4.4 : Παραδείγματα : 1) Δίνεται : Τύπος Α, ορθογωνικού ανοικτού αγωγού με b = 0,40 m, J = 10 ‰ και

1 = 70 m1/3/s. Το n

βάθος ροής είναι h = 12 cm. Ζητούνται : U και Q. Λύση : Από το νομογράφημα της σελίδας Α4.2 διαβάζουμε : U = 1,24 m/s

και Q = 59 l/s

229



2) Δίνεται : Τύπος Α, ορθογωνικού ανοικτού αγωγού με b = 0,40 m, J = 1‰ και

1 =95 m1/3/s. Το n

βάθος ροής είναι h = 12 cm. Ζητούνται : U και Q. Λύση : Από το νομογράφημα της σελ. Α4.5 υπολογίζονται οι συντελεστές cJ και cK ως : cJ = 0,31 ck = 1,357 U = cj · ck · U10 = 0,31 · 1,357 · 1,24 = 0,52 m/s Q = cj · ck · Q10 = 0,31 · 1,357 · 59 = 24,8 l/s

3) Δίνεται : Τύπος Α, ορθογωνικού αγωγού με b = 0,50 m, J = 2‰,

1 = 95 m1/3/s και Q = 143 l/s. n

Ζητείται : U και το βάθος ροής h. Λύση : Μετατρέπεται η παροχή Q στην ισοδύναμη παροχή για J = 10‰ ή Q10 : cj = 0,44 cK = 1,357 και Q10 =

Q 143 = = 239 l / s c J ⋅ c K 0,44 ⋅ 1,357

Για την παροχή Q = 239 l/s από το νομογράφημα της σελ. Α4.2 για Q = 239 l/s διαβάζουμε h = 0,27m και U10 = 1,80 m/s. Οπότε U = 1,80 · 0,44 · 1,357 = 1,07 m/s

4) Δίνεται : Τύπος Β, ορθογωνικού ανοικτού αγωγού με b = 0,40 m, J = 2‰,

1 =95m1/3/s και U = n

0,90 m/s.

230



Ζητείται : Q και το βάθος ροής h. Λύση : Μετατροπή της ταχύτητας στην ισοδύναμη U10 :

U10 =

U 0,90 = = 1,51 m / s cJ ⋅ cK 0, 44 ⋅1,357

Από το νομογράφημα της σελ. Α4.3 βρίσκουμε h = 21 cm και Q10 = 112 l/s. Q = cj · ck · Q10 = 0,44 · 1,357 · 112 = 67

231

Apoxeteyseis Simeioseis 02

Recommend Documents