Hidrológiai Közlöny 1978 (58. évfolyam)

11. szám - Dr. Kovács György: A szivárgással kapcsolatos tudományos kutatás helyzetéről

/ \ 481 Hidrológiai Közlöny 1978. 10. sz. A szivárgással kapcsolatos tudományos kutatás helyzetéről Dr. KOVÁCS GYÖRGY* a műszaki tudományok doktora 1. Bevezető A szivárgás hidraulikája a folyadékok és gázok mechanikájával foglalkozó tudományágnak csak egy kis fejezete. Tárgyalásmódjának eltérése a hidromechanika más területén alkalmazott módszerektől részben az áramlási tér különleges adottságából fakad, részben abból a tényből, hogy a kis áramlási sebesség miatt a külső, természetes és ezért véletlen jellegű hatások nagyobb súllyal jelentkeznek, mint csővezetékben vagy nyílt mederben kialakuló áramlás esetében. A szivárgási térben a mozgás csak a több irányban egymáshoz kapcsolódó pórusokból kialakuló, véletlen jelleggel elosztott, változó keresztmetszetű csatornákon keresztül jöhet létre. Ennek az adottságnak lényeges módszertani következménye, hogy a hidrodinamikában minden esetben felhasznált, statisztikai alapon felépülő közelítést — a folytonos mező elvét — a szivárgási vizsgálatokban kétszeresen kell alkalmaznunk. A víz áramlásának leírásakor általában nem vizsgáljuk a molekulák mikroméretű mozgását, hanem bevezetjük a vízrészecske fogalmát, és annak pályáját elemezzük. Feltételezzük, hogy a vízrészecske elég nagy méretű, és ezért a benne helyet foglaló molekulák véletlen jellegű mozgása kiegyenlítődik, az elmozdulásvektorok statisztikai átlagának várható értéke zérus. Elégséges tehát, ha az így definiált egységek makro méretű mozgását határozzuk meg. Porózus közegen keresztül létrejövő szivárgást tanulmányozva ugyanezt a kontinuum elvet alkalmaznunk kell a szilárd váz jellemzésére is. A pórusrendszernek a térben véletlen jelleggel változó tulajdonságait leíró paramétereket is csak akkor határozhatjuk meg azok átlagaként, ha a vizsgált térrész olyan nagy, hogy az átlag már lényegesen nem változik, ha módosítjuk az elemzett térfogat méretét, tehát a paramétereket a térkoordináták egyértelmű függvényeként rögzíthetjük. Azt a határméretet, amely alatt a szivárgási teret már nem jellemezhetjük a paraméterek átlagával, mert az átlag számszerű értéke függ a vizsgált elem méretétől is, reprezentatív elemi egységnek nevezzük. A folytonos mező elvének tudatos alkalmazása a vizet vezető pórusok hálózatának jellemzésére a szivárgás leírását adó összefüggések használatának két lényeges módszertani korlátját eredményezi. Ha a vizsgálni kívánt mező nem haladja meg többszörösen a vízvezető réteg szerkezetétől függő reprezentatív elemi egységet (mint pl. karsztos víztartókban a megcsapolási helyek közvetlen környezetének vizsgálatakor), nem alkalmazhatjuk a szivárgási törvényeket, hanem a tényleges vizet vezető csatornák ellenállását egyedileg kell tanulmányoznunk. A másik korlát akkor jelentkezik ha az * Országos Vízügyi Hivatal, Budapest. áramlás jellege alapvetően változik a vizet vezető csatornák méretével (amire a legszemléltetőbb példa a telítetlen rétegekben létrejövő szivárgás, amikor a kapillárisán telített járatokban a teljes szelvény szállítja a vizet, a nagy pórusok viszont részben levegőt tartalmaznak és vízmozgás csak a szilárd váz falához tapadó adhéziós vízfilmen keresztül alakul ki). Ilyenkor a csatornákat nem jellemezhetjük a pórusok átlagos méretével, hanem az átlagszámításnál bonyolultabb statisztikai modellt kell alkalmaznunk a tényleges nyílásméret valószínű eloszlásának leírására. A természeti hatások érvényesülésének jelentős befolyása több tényezőre vezethető vissza. Maga az áramlási tér sem olyan határozott mint zárt vezetékek vagy felszíni vízfolyások esetében. Nehézségeket okoz, hogy a vizet szállító rendszer geometriáját csak pontatlanul határozhatjuk meg (felszíni térképezéssel, viszonylag ritka hálózatban telepített fúrások szelvényeiből, geofizikai mérések segítségével, a szerkezeti elemek helyzetét néhány megfigyelés alapján becsülve). Fokozza a bizonytalanságot, hogy a határolások sohasem tökéletesen vízzáróak, nagyságrendekkel kisebb a különbség a vízvezető és vízzáró rétegek szállítóképessége között, mint például a meder és az azt körülvevő réteg esetében, ezért a vizsgált rendszer és a környezete közötti kölcsönhatásra sokkal nagyobb gondot kell fordítanunk a szivárgási számításokban, mint a hidromechanika egyéb fejezeteiben. A mozgás meghatározására szolgáló matematikai modelljeinket még a tényleges számítások elvégzése előtt sok esetben arra is fel kell ezért használnunk, hogy igazoljuk az áramlási tér felvett geometriájának, valamint a becsült kölcsönhatások jellegének és mértékének elfogadható voltát. Külön említeni kell az áramlási tér felső határolása mentén jelentkező problémákat. Ezek részletesebb elemzését nemcsak az itt működő hatások nagyobb bizonytalansága indokolja, hanem az a tény is, hogy ezek a határfeltételek visszahatnak az áramlás jellegére is. Szabad felszínű szivárgás esetében ez a határolás — az atmoszférikus nyomással jellemzett víztükör — fiktív felület, mert semmilyen ugrásszerű változás nem következik itt be, a pórusok a víztükör felett is egy szakaszon teljesen telítettek. így a kapilláris zóna vízszállításának elhanyagolása sok esetben jelentős hibát okoz, és kialakulása a fajlagos vízadóképesség meghatározását is bizonytalanná teszi. Nyomás alatti rendszerben a fedőréteg vízzáróságának mértéke befolyásolja az alkalmazható modell megválasztását. Az a feltételezés, hogy a felső határolás teljesen vízzáró — ami a gyakorlatban ritkán, legtöbbször csak műtárgyak alatti szivárgások esetében elfogadható közelítés — a számításokat lényegesen egyszerűsíti. Részlegesen (félig áteresztő réteggel) fedett rendszerben a nyomásvonal változá-