Veejuhtivus

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

Määramise meetodid

Veejuhtivuse määramiseks on kaks üldist kategooriat:

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.

Eksperimentaalse lähenemine võib hõlmata üldjoontes järgmisi tegevusi:

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

Hindamine terasuuruse järgi

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

Mullaomaduste ülekandefunktsioon ehk pedotransfer function (PTF on spetsiaalne empiiriline hindamise meetod, mida kasutatakse peamiselt mullateadustes, aga üha rohkem ka hüdrogeoloogias.^[2] Kuigi PTF-meetodeid on mitmesuguseid, määratakse nendega tavaliselt selliseid pinnase omadusi nagu veejuhtivus, kasutades selliseid mõõdetud pinnase omadusi nagu terasuurus ja mahumass.

Määramine eksperimentaalse lähenemise kaudu

Laboratoorsed meetodid

Püsiva veetaseme meetod

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 $h$ , saab arvutada veejuhtivuse:

Q=Av\,

kus $v$ voolukiirus. Rakendades Darcy seadust:

v=Ki\,

ja väljendades hüdraulilist gradienti $i$ kui:

i={\frac {h}{L}}

kus hüdrauliline surve $h$ on suhteline pikkusega $L$ , tulemus:

Q={\frac {AKh}{L}}

Arvutades $K$ :

K={\frac {QL}{Ah}}

Dünaamilise veetaseme meetod

Dünaamilise veetaseme meetod erineb eelmisest meetodist suuresti. Selle meetodi eeliseks on võimalus teda kasutada nii peeneteralise kui ka jämedateralise pinnase puhul. Pinnaseproov kõigepealt küllastatakse spetsiifilistes tingimustes. 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

Puuraugu meetod

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]

puuritakse auk pinnasesse
vesi juhitakse puurauku
veetaseme tõus augus registreeritakse
veejuhtivus $K$ arvutatakse saadud andmetest:

K_h = C (Ho-Ht) / t

Veejuhtimise kumulatiivne sagedus

kus: K_h 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 = 4000

r

/

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

Veekihi veejuhtivus

Veeladestu võib koosneda $n$ pinnasekihist. Horisontaalse voolu veekihi veejuhtivus T_i küllastunud tihedusega $d_{i}$ ja horisontaalse veejuhtivusega Kh_i pinnasekihi korral on:

T_i = Kh_i

d_{i}

Veekihi veejuhtivus on otseselt võrdeline horisontaalse veejuhtivusega Kh_i ja $i-th$ pinnase küllastunud tihedusega $d_{i}$ . Kh_i väljendatakse ühikuga m/päevas ja $d_{i}$ ühikuga m, veekihi veejuhtivus T_i 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 T_i = Σ Kh_i

d_{i}

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

Kh_A = 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

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 ja vee jõudmine kaevu vähenevad.

Takistus

Vertikaalse veejuhtivuse Kv_i ja $i-th$ pinnase küllastunud tiheduse vertikaalse voolu takistus R_i on:

R_i =

d_{i}

/ Kv_i

Kv_i väljendatakse ühikuga m/päevas ja $d_{i}$ ühikuga m, takistus R_i mõõdetakse päevades. Veeladestu täielik takistus Rt ^[6] on:

Rt = Σ R_i = Σ

d_{i}

/ Kv_i

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

Kv_A = 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

Kui $i-th$ pinnasekihi horisontaalne veejuhtivus ja vertikaalne veejuhtivus (Kh_i ja Kv_i) 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

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

↑ 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.
↑ 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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
↑ Liu, Cheng "Soils and Foundations." Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 2001 ISBN 0-13-025517-3
↑ 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.
↑ C.H.M. van Bavel, D. Kirkham, 1948. Field measurement of soil permeability using auger holes. Soil. Sci. Soc. Am. Proc 13:90–96.
↑ ^6,0 ^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 allalaaditav: [1], nr. 6 alt või PDF-ina : [2]
↑ Drainage research in farmers' fields: analysis of data. Projekt "Liquid Gold", the International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI), Wageningen, The Netherlands. [3]
↑ ^8,0 ^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]
↑ 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
↑ 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.

[Shepherd-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.

[Wösten-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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)

[Liu-3] Liu, Cheng "Soils and Foundations." Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 2001 ISBN 0-13-025517-3

[Hooghoudt-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.

[Bavel-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.

[Oost-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 allalaaditav: [1], nr. 6 alt või PDF-ina : [2]

[farmers-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]

[Boon-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]

[Oosterbaan-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

[Subsurface-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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]