Veejuhtivus

Allikas: Vikipeedia

Veejuhtivus ehk filtratsioonimoodul, tähistatud sümboliga K, on soontaimede, pinnase ja kivimite omadus lasta vett läbi sisemiste pooride või lõhede. See oleneb materjali sisemisest läbilaskvusest ning küllastustasemest.

Määramise meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

On olemas kaks üldist kategooriat veejuhtivuse määramiseks:

  • empiiriline lähenemine, mille järgi veejuhtivus on korrelatsioonis pinnase omadustega, nagu poori suuruse ja terasuuruse jagunemine ning lõimis,
  • eksperimentaalne lähenemine, mille järgi veejuhtivus määratakse katsete abil, lähtudes Darcy seadusest.

Eksperimentaalne lähenemine on üldjoontes jagatud:

  • laboratoorsed katsed, kasutades pinnaseproove sõltuvalt teostatavast eksperimendist,
  • välitööd, mis jagunevad:
    • väikesemõõtmelised välitööd, vaadeldes veetaset pinnase avaustes,
    • suuremõõtmelised välitööd, nagu pumbakatsed kaevudes, või uurides olemasolevate drenaažisüsteemide tööd.

Väikesemõõtmelised välitööd jagunevad omakorda:

  • infiltratsiooni katsed pinnase avaustes ülevalpool põhjavee vabapinda,
  • puuraugu katsed avaustes pinnases allpool põhjavee vabapinda.

Hindamine empiirilise lähenemise kaudu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Hindamine terasuuruse järgi[muuda | redigeeri lähteteksti]

Russell G. Shepherd[1] tuletas empiirilise valemi, et määrata veejuhtivus terasuuruse analüüsidest:

K = a (D_{10})^b,

kus

a ja b on empiiriliselt tuletatud tingimused sõltuvalt pinnase tüübist ja
D_{10} on materjali terasuuruse 10-protsentiili diameeter.

Mullaomaduste ülekandefunktsioon[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mullaomaduste ülekandefunktsioon ehk pedotransfer function (PTF on spetsiaalne empiiriline hindamise meetod, mida kasutatakse peamiselt mullateadustes, aga kasutatakse ka üha rohkem hüdrogeoloogias.[2] Kuigi on mitmeid erinevaid PTF meetodeid, siis nad kõik üritavad määrata pinnase omadusi, nagu veejuhtivus, kasutades mitmeid mõõdetud pinnase omadusi, nagu terasuurus ja mahumass.

Määramine eksperimentaalse lähenemise kaudu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Laboratoorsed meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Püsiva veetaseme meetod[muuda | redigeeri lähteteksti]

Püsiva veetaseme meetodit kasutatakse tavaliselt jämedateralise pinnase korral. See protseduur võimaldab veel liikuda läbi pinnase stabiilselt pideva voolu tingimustes. Mõõdetakse mingi aja jooksul läbi pinnase voolanud vee hulga maht. Teades mõõdetud vee hulka Q, proovi pikkust L, proovi läbilõike pindala A, aega t, mis kulus vee hulga Q läbipinnaseproovi voolamiseks, ja survet h, saabki arvutada veejuhtivuse:

Q = Av\,

kus v voolukiirus. Rakendades Darcy seadust:

v = Ki\,

ja väljendades hüdraulilist gradienti i kui:

i = \frac{h}{L}

kus hüdraululine surve h on suhteline pikkusega L, tulemus:

Q = \frac{AKh}{L}

Arvutades K:

K = \frac{QL}{Ah}

Dünaamilise veetaseme meetod[muuda | redigeeri lähteteksti]

Dünaamilise veetaseme meetod on oma ülesehituselt eelnevast meetodist täiesti erinev. Selle meetodi eeliseks on võimalus teda kasutada nii peeneteralise kui ka jämedateralise pinnase puhul. Pinnaseproov kõigepealt küllastatakse spetsiifilises tigimiuses. Seejärel lubatakse veel voolata läbi pinnase ilma pideva voolu surveta.[3]

K = \frac{2.3aL}{At}\log\left(\frac{h_1}{h_2}\right)

Välitöö meetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Puuraugu meetod[muuda | redigeeri lähteteksti]

Veejuhtivust on võimalik mõõta ka välitöödel. Kui põhjavee vabapind on madalal, saab puuraugu meetodit kasutada veejuhtivuse leidmiseks allpool põhjavee vabapinda. Selle meetodi töötas välja Hooghoudt Madalmaades (1934)[4] ja Ameerika Ühendriikides tutvustasid seda Cornelius H. M. Van Bavel ja Don Kirkham (1948).[5] Meetodi läbiviimisel kasutatakse järgmisi samme:[6]

  1. puuritakse auk pinnasesse
  2. vesi juhitakse puurauku
  3. veetaseme tõus augus registreeritakse
  4. veejuhtivus K arvutatakse saadud andmetest:
Kh = C (Ho-Ht) / t
Veejuhtimise kumulatiivne sagedus

kus: Kh on horisontaalne küllastunud veejuhtivus (m/päevas), H on veetase puuraugus võrreldes põhjavee vabapinna tasemega pinnases (cm), Ht on H ajas t, Ho on H ajas t, kui t=0, t on H mõõtmise aeg sekundites ja F on tegur, mis sõltub augu geomeetriast:

F = 4000r / h'(20+D/r)(2−h'/D)

kus r on silindrilise augu raadius (cm), h' on keskmine puuraugus oleva veetaseme kõrgus võrreldes põhjavee vabapinna tasemega pinnases, mis leitakse valemiga h'=(Ho+Ht)/2 ja D on puuraugu sügavus võrreldes põhjavee vabapinna tasemega pinnases (cm). Joonisel on kujutatud mitmed K-väärtused, kasutades puuraugu meetodit 100 ha pindalal.[7] Kumulatiivne sagedus on log-normaalne jaotus, kasutatud on CumFreq programmi.

Seotud mõisted[muuda | redigeeri lähteteksti]

Veekihi veejuhtivus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Veeladestu võib koosneda n pinnasekihist. Horisontaalse voolu veekihi veejuhtivus Ti küllastunud tihedusega d_i ja horisontaalse veejuhtivusega Khi pinnasekihi korral on:

Ti = Khi d_i

Veekihi veejuhtivus on otseselt võrdeline horisontaalse veejuhtivusega Khi ja i-th pinnase küllastunud tihedusega d_i. Khi väljendatakse ühikuga m/päevas ja d_i ühikuga m, veekihi veejuhtivus Ti mõõdetakse ühikutes m2/päevas. Veekihi veejuhtivus väljendab seda, kui palju vett on võimalik juhtida horisontaalselt (näiteks pumpkaevu). Veeladestu veekihi täielik veejuhtivus (Tt) [6] on:

Tt = Σ Ti = Σ Khi d_i

kus Σ tähistab kõikide kihtide summat: i = 1, 2, 3, . . . n. Näilik veeladestu horisontaalne veejuhtivus (KhA) on:

KhA = Tt / Dt

kus Dt on veeladestu täielik tihedus: Dt= Σ d_i, koos i= 1, 2, 3, . . . n. Veeladestu veekihi veejuhtivust saab määrata pumbatestiga.[8]

Põhjavee vabakihi mõju[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui pinnasekiht on ülevalpool põhjavee vabakihti, ei ole ta küllastunud ja ei mõjuta veekihi veejuhtivust. Kui pinnasekiht on täielikult allpool vabakihti, siis vastab tema küllastunud tihedus pinnasekihi tihedusele. Kui põhjavee vabakiht on pinnasekihi sees, on küllastunud tihedus vastavuses vabakihi kaugusega pinnasekihi põhjast. Kuna põhjavee vabakiht käitub dünaamiliselt, võib see tihedus muutuda, seega võib vastavalt muutuda ka veekihi veejuhtivus.

Poolkinnises veeladestus on pinnasekihis leiduv põhjavee vabakiht ebaoluliselt väikese veekihi veejuhtivusega, seega põhjavee vabakihi tasemest tingitud muutused ei mõjuta oluliselt veekihi täieliku veejuhtivuse (Dt) muutusi.

Kui pumbata vett avatud veeladestust, kus vesi on pinnasekihi sees olulise veekihi veejuhtivusega,võib põhjavee vabakiht langeda, mille tulemusel ka veekihi veejuhtivus langeb ja vee jõudmine kaevu väheneb.

Takistus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vertikaalse veejuhtivuse Kvi ja i-th pinnase küllastunud tiheduse vertikaalse voolu takistus Ri on:

Ri = d_i / Kvi

Kvi väljendatakse ühikuga m/päevas ja d_i ühikuga m, takistus Ri mõõdetakse päevades. Veeladestu täielik takistus Rt [6] on:

Rt = Σ Ri = Σ d_i / Kvi

kus Σ tähistab kõikide kihtide summat: i = 1, 2, 3, . . . n. Näilik veeladestu horisontaalne veejuhtivus (KvA) on:

KvA = Dt / Rt

Kus Dt on veeladestu täielik tihedus: Dt = Σ d_i , with i= 1, 2, 3, . . . n.

Takistus mõjutab veeladestutes, kus esineb terve jada horisontaalse läbilaskvusega pinnasekihte, nii, et horisontaalne vool esineb peamiselt suure horisontaalse läbilaskvusega kihtides, samal ajal kui väikese horisontaalse läbilaskvusega kihtides liigub vesi peamiselt vertikaalselt.

Anisotroopia[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui i-th pinnasekihi horisontaalne veejuhtivus ja vertikaalne veejuhtivus (Khi ja Kvi) erinevad oluliselt, on pinnasekiht anisotroopne veejuhtivuse suhtes.

Kui näiline horisontaalne ja vertikaalne veejuhtivus erinevad oluliselt, on pinnasekiht anisotroopne veejuhtivuse suhtes.

Veeladestu on poolsuletud, kui suhteliselt väikese horisontaalse veejuhtivusega küllastunud pinnasekihti katab suhteliselt suure horisontaalse veejuhtivusega pinnasekihti nii, et põhjavee vool esimeses kihis on peamiselt vertikaalne ja teises horisontaalne.

Veeladestu poolsuletud pealmise kihi takistust on võimalik leida pumbatestiga.[8]

Kui arvutada vee voolu drenaaži [9] või kaevu [10] veeladestus eesmärgiga kontrollida põhjavee vabakihti, tuleb anisotroopsus arvesse võtta, muidu võivad tulemused olla valed.

Seotud omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Suure poorsuse ja läbilaskvuse tõttu omab liivast ja kruusast koosnev veeladestu suuremat veejuhtivust kui savi või murenemata graniidist veeladestu. Seega on liiva või graniidi veeladestud paremad vee omastamiseks (näiteks kasutades puurkaevu) oma suurema veekihi veejuhtivuse tõttu, võrreldes näiteks savi või murenemata aluspõhja veeladestutega.

Veejuhtivus (K) on üks keerukamaid ja tähtsamaid veeladestute omadusi hüdrogeoloogias, kuna looduses leiduvad väärtused:

  • varieeruvad mitmetes suurusjärkudes (jaotust peetakse tihti log-normaalseks),
  • muutuvad oluliselt läbi ruumi (mõnikord peetakse juhuslikult ruumiliselt jaotatuks)
  • on suunalised (üldiselt on K sümmeetriline teist järku tensor; näiteks vertikaalne K võib olla mitmeid suurusjärke väiksem kui horisontaalne K väärtused),
  • on suurusest sõltuvad (m3 veeladestu mõõtmiste tulemused erinevad oluliselt sama ladestu ainult cm3 näidise mõõtmise tulemustest kasutades samu meetodeid) ja
  • on väga sõltuvad veesisaldusest, mis muudab aeratsioonivööndis K mõõtmise väga keeruliseks.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Shepherd, Russell G. (1989). "Correlations of permeability and grain-size". Ground Water 27 (5): 633–638. doi:10.1111/j.1745-6584.1989.tb00476.x. 
  2. Wösten, J.H.M., Pachepsky, Y.A., and Rawls, W.J. (2001). "Pedotransfer functions: bridging the gap between available basic soil data and missing soil hydraulic characteristics". Journal of Hydrology 251 (3–4): 123–150. doi:10.1016/S0022-1694(01)00464-4. 
  3. Liu, Cheng "Soils and Foundations." Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 2001 ISBN 0-13-025517-3
  4. S.B.Hooghoudt, 1934, in Dutch. Bijdrage tot de kennis van enige natuurkundige grootheden van de grond. Verslagen Landbouwkundig Onderzoek No. 40 B, p. 215-345.
  5. C.H.M. van Bavel, D. Kirkham, 1948. Field measurement of soil permeability using auger holes. Soil. Sci. Soc. Am. Proc 13:90–96.
  6. 6,0 6,1 6,2 R.J. Oosterbaan, H.J. Nijlan, 1994. Determination of the Saturated Hydraulic Conductivity. Peatükk 12: H.P.Ritzema (ed., 1994) Drainage Principles and Applications, ILRI Publication 16, p.435-476. International Institute for Land Reclamation and Improvement, Wageningen (ILRI), The Netherlands. ISBN 90 70754 3 39. Tasuta võimalik allalaadida: [1] , nr. 6 alt või PDF'ina : [2]
  7. Drainage research in farmers' fields: analysis of data. Projekt “Liquid Gold”, the International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands. [3]
  8. 8,0 8,1 J.Boonstra ja R.A.L.Kselik, SATEM 2002: Software for aquifer test evaluation, 2001. Publ. 57, International Institute for Land reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands. ISBN 90-70754-54-1 On line : [4]
  9. R.J. Oosterbaan, J. Boonstra and K.V.G.K. Rao, 1996, “The energy balance of groundwater flow”. Published in V.P.Singh and B.Kumar (eds.), Subsurface-Water Hydrology, p. 153-160, Vol.2 of Proceedings of the International Conference on Hydrology and Water Resources, New Delhi, India, 1993. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. ISBN 978-0-7923-3651-8
  10. Subsurface drainage by (tube) wells, 9 pp. Explanation of equations used in the WellDrain model. International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands.