Hydraulinen korkeus (piezometrinen pää) – määritelmä ja mittaus

Hydraulinen korkeus (piezometrinen pää) selitetty selkeästi: määritelmä, laskenta ja mittaus käytännössä pohjavesissä ja piezometrisissa kaivoissa.

Hydraulinen korkeus (piezometrinen pää) kuvaa yhtä mittapistettä kohti laskettua veden kokonaisenergiaa pituusyksiköissä ilmaistuna. Se on vedenpaineen ja sijoituksen yhteisvaikutuksen muoto, joka kertoo kuinka paljon potentiaalista energiaa vesillä on mitattavaan kohtaan nähden. Termiä käytetään sekä avoimissa vesijärjestelmissä että pohjavesitutkimuksessa.

Määritelmä ja kaava

Hydraulinen korkeus h voidaan ilmaista kaavalla

h = z + p / (ρ g)

• z = korkeustaso (esimerkiksi mittapisteen korkeus nollatasoon nähden, metriä)
• p = absoluuttinen paine mittapisteessä (pascaleina)
• ρ = veden tiheys (noin 1000 kg/m³ makealle vedelle)
• g = putoamiskiihtyvyys (noin 9,81 m/s²)

Tässä p/(ρ g) on painepää (pressure head) ja z on korkeuspää (elevation head). Yhteensä ne muodostavat piezometrisen pään, joka ilmaistaan yleensä metreinä.

Yhteys havaittavaan vedenpintaan

Avoimessa kaivossa tai putkessa piezometrinen pää vastaa usein vedenpinnan korkeutta; esimerkiksi piezometrin suulla näkyvä vesipinta kertoo kyseisen kohdan hydraulisen korkeuden. Pohjavesialueilla puhutaankin usein piezometrisesta pinnasta (piezometric surface), joka on kuvitteellinen pinta, jonka vedenpinnat muodostaisivat eri mittapisteissä.

Mittaus käytännössä

Hydraulinen korkeus mitataan tyypillisesti seuraavilla tavoilla:

• Vedenpinnan korkeuden mittaus piezometrisessä kaivossa tai erikoistuneessa vesikaivossa — mittaamalla vedenpinnan syvyys ja tietäen kaivon tai putken korkeus maanpinnasta saa piezometrisen pään.
• Paineen mittaus paineantureilla tai manometreilla, jonka jälkeen paine muunnetaan painepääksi p/(ρ g) ja lisätään mittapisteen korkeus z.
• Käytännön laitteita: pintakorkeusmittarit, käsipotkurit, sähköiset paineanturit (transducerit), loggaimet ja manometrit.

Sovellukset ja merkitys

• Hydraulinen korkeus on keskeinen suure pohjavedenliikkeen ja -virtausmallien laskennassa (esim. Darcy’n laki), koska virtausnopeudet määräytyvät hydraulisen gradientin mukaan.
• Piezometrisen pinnan kartoitus kertoo varantojen paine- ja virtaustilanteesta sekä mahdollisista purkautumis- tai imeytymisalueista.
• Vesihuollossa ja paineverkostoissa hydraulinen korkeus auttaa suunnittelemaan pumppauksia ja varmistamaan riittävän paineen käyttöpaikoissa.

Huomioitavaa mittauksessa

• Mittausviitemaa ja korkeusjärjestelmä tulee aina ilmoittaa, jotta eri mittaukset ovat vertailukelpoisia.
• Ilmakehän paine vaikuttaa painepään määritykseen, joten absoluuttinen paine tai ilmakehän vaikutus on huomioitava paineantureita käytettäessä.
• Mittausvirheitä aiheuttavat mm. huonokuntoiset kaivot, tukkeutunut suulake, ilman kuplat putkessa, lämpötilaeron aiheuttama tiheyden vaihtelu ja instrumentin kalibroinnin puute.
• Ero staattisen ja dynaamisen tilan välillä: pumppaus tai virtaus voi muuttaa paikallista piezometristä päätä nopeasti; pitkäaikainen seuranta antaa paremman käsityksen tilasta.

Esimerkki

Jos mittapisteessä mitattu absoluuttinen paine on 20 000 Pa ja mittapisteen korkeus z on 5,0 m, veden tiheys oletetaan 1000 kg/m³ ja g = 9,81 m/s², niin painepää on noin 20 000 / (1000·9,81) ≈ 2,04 m. Piezometrinen pää h ≈ 5,0 + 2,04 = 7,04 m.

Hydraulinen korkeus on siten käytännössä mitattava ja laskettava suure, joka yhdistää paineen ja korkeuden ja toimii perustana monille hydrologian ja vesitekniikan analyyseille. Se kuvaa, kuinka korkealla vesipinta tai vastaava energiatila olisi, jos paine purettaisiin avoimeksi pinnaksi mittapisteessä.

Alkuperäinen määrittely: Hydraulinen korkeus on vedenpaineen tai painoyksikköä kohti lasketun kokonaisenergian erityinen mittausarvo mittapisteen yläpuolella. Se mitataan yleensä vedenpinnan korkeutena, joka ilmaistaan pituusyksikköinä, mutta se edustaa energiaa piezometrin suulla (tai pohjassa). Pohjavesialueella se voidaan laskea veden syvyydestä piezometrisessä kaivossa (erikoistunut vesikaivo), kun otetaan huomioon tiedot piezometrin korkeudesta ja näytön syvyydestä.

Hae kirjaimella