Hydrologia

Hydrologia

I rok

Inżynieria Środowiska

Wykład nr 10

Marcin Widomski

dr inż.

p. 309

tel. wew. 4183

tel. [phone]

[e-mail]

RETENCJA GRUNTOWA

Retencja gruntowa

Retencja gruntowa (retencja podziemna) - zmienna w

czasie ilość wody zatrzymanej w określonym czasie w
środowisku podziemnym.

Zmiany retencji podziemnej wpływają na zmiany stanów

zwierciadła wód podziemnych, którego podniesienie
oznacza przyrost, a obniżenie zmniejszenie retencji.

Wielkość retencji podziemnej zależy od wysokości

opadów atmosferycznych oraz odpływu i parowania. W
latach mokrych wielkość zasilania przeważa nad stratami
(odpływ i parowanie) i następuje przyrost retencji
podziemnej. W latach suchych sytuacja jest odwrotna.

Retencja podziemna = zawartość wód podziemnych

w zlewni.

WODY PODZIEMNE

Wody podziemne

Wody podziemne – wody, zalegające pod

powierzchnią Ziemi na różnych głębokościach,
powstałe na skutek różnych procesów
geologicznych.

Łączna objętość ok. 60 000 tys. km³, co stanowi

ok. 4,12‰ ogólnej objętości zasobów
hydrosfery Ziemi.

Wody podziemne występują w dwóch strefach

gruntu:

• Strefie nasyconej (saturacji);
• Strefie nienasyconej (aeracji).

Strefa nasycona (saturacji) - strefa

nasycenia wodami podziemnymi
wypełniającymi wszystkie przestrzenie
międzyziarnowe.

Strefa nienasycona (aeracji) - strefa

nasycenia powietrzem glebowym i innymi
gazami oraz częściowo wodą podziemną.

Woda w strefie aeracji:
woda zawieszona albo związana (woda

higroskopijna, woda błonkowata, woda
kapilarna).

Wody podziemne

Wody podziemne

Obecnie klasyfikuje się rodzaje wody w gruncie na

podstawie jej stanu skupienia, ruchliwości i wzajemnego
oddziaływania na cząstki gruntowe. Na podstawie wyżej
wymienionych kryteriów przyjmuje się, że w podłożu
gruntowym występuje woda:

- jako para wodna,
- związana, jako woda higroskopijna i błonkowata (silnie i

słabo związana),

- kapilarna (włoskowata),
- wolna,
- krystalizacyjna i chemicznie związana,
- jako lód.

Wody podziemne

Pochodzenie wód podziemnych:
wody infiltracyjne, które powstają wskutek

przesiąkania wody przez szczeliny w glebie i
warstwach skalnych;

wody kondensacyjne, czyli takie, których

przyczyną powstania było skraplanie pary wodnej
w przypowierzchniowych warstwach gruntu;

wody juwenilne, czyli wody, które powstają z

magm wydostających się z głębi Ziemi;

wody reliktowe, które w przeszłości geologicznej

zostały uwięzione w warstwach skalnych i przez to
nie miały kontaktu z otoczeniem przez długi czas.

Wody podziemne

Wody strefy nasyconej (saturacji):
• Wody zaskórne;
• Wody gruntowe;
• Wody wgłębne;
• Wody głębinowe.

Wody podziemne

Wody zaskórne (wierzchówki) – tworzące się na

niewielkich głębokościach (do 2 m) w
zagłębieniach terenu, w dolinach rzecznych i na
brzegach jezior wskutek obfitych opadów.
Podlegają dobowym wahaniom temperatury i
silnemu parowaniu. Często zanikają w okresach
posusznych. Nie tworzą ciągłego zwierciadła tzn.
występują lokalnie, najczęściej w miejscach o
pogorszonych warunkach infiltracyjnych.

Wody podziemne

Wody gruntowe – położone poniżej strefy
aeracji. Tworzą je wody opadowe, które
przesączają się przez porowatą glebę, a
następnie gromadzą się w pokładach piasku,
żwiru czy też spękanych skał. Strefy te
nazywane są warstwami wodonośnymi.

Zwierciadło podlega wahaniom sezonowym,
naśladuje formy rzeźby powierzchni (jest
„równoległe” do powierzchni terenu). Obficie
zasilają rzeki i jeziora. W głębszych warstwach
wody gruntowe są dobrze przefiltrowane (wody
freatyczne – studzienne).

Wody wgłębne – położone poniżej spągu
warstw nieprzepuszczalnych, zasilane wodami
przesiąkającymi przez szczeliny uskoków
tektonicznych, okna hydrogeologiczne albo na
wychodniach skał przepuszczalnych na
powierzchnię (najczęściej).

• Nie podlegają wahaniom temperatury lub
zaznaczają się tylko zmiany sezonowe (dla
płycej występujących).

• Charakteryzują się napiętym zwierciadłem,
dostosowanym do kształtu nadległych warstw
nieprzepuszczalnych. W strefach wychodni, lub
kontaktu z wodami innych horyzontów,
zwierciadło jest swobodne.

• Różnica poziomów najniżej i najwyżej
położonych punktów zwierciadła umożliwia
powstawanie efektu artezyjskiego i
subartezyjskiego.

Wody podziemne

Wody podziemne

Schemat niecki artezyjskiej:
1. Warstwa wodonośna
2. Warstwa nieprzepuszczalna
3. Obszar zasilania
4. Studnia artezyjska
5. Poziom równowagi hydrostatycznej
6. Studnia subartezyjska
7. Źródło artezyjskie

Efekt artezyjski:

Wody podziemne

Wody głębinowe – wody uwięzione w warstwach
skalnych w przeszłości geologicznej, całkowicie
odizolowane od czynników zewnętrznych. Zazwyczaj są
silnie zmineralizowane, niekiedy ogrzane ciepłem Ziemi.

Wody podziemne

Wody strefy aeracji:

• Wody błonkowate;

• Wody higroskopijne;

• Wody kapilarne;

• Wody wolne.

Wody wolne – tworzące w strefie aeracji
lokalne zbiorowisko nad stropem soczewki
utworów nieprzepuszczalnych, którego zasoby
zmieniają się pod wpływem opadów i
parowania.

Wody błonkowate (wody adhezyjne) – woda otaczająca
błonką ziarna mineralne, powierzchnia których jest wysycona
wodą higroskopijną. Z ziarnem mineralnym wiążą je siły
elektryczne przyciągające drobiny wody. Grubość błonki nie
przekracza 0,5 μm. Gęstość wód błonkowatych jest większa niż
wody wolnej, temperatura zamarzania niższa od 0 st.C. Woda
błonkowata nie podlega sile ciężkości, nie przenosi ciśnienia,
ma ograniczoną zdolność rozpuszczania.

Wody higroskopijne – związane siłami molekularnymi z
ziarnami mineralnymi skał. Powstają na drodze adsorbcji przez
ziarna drobin pary wodnej z powietrza. Gęstość w. h. wynosi 2
g/dm

3

, temperatura zamarzania -78 st. C. Wody higroskopijne

nie przenoszą ciśnienia hydrostatycznego, nie mają zdolności
rozpuszczania, ani zdolności do ruchu. Mogą otaczać ziarno
mineralne częściowo lub całkowicie. Całkowite wysycenie
powierzchni ziaren drobinami wody nazywamy maksymalną
wilgotnością higroskopijną;

Wody podziemne

Wody podziemne

Wody kapilarne – występują w strefie aeracji w porach i
szczelinach o niewielkich wymiarach. Poruszają się pod
wpływem sił spójności i przylegania tworząc na granicy strefy
saturacji i strefy aeracji strefę wzniosu kapilarnego. Wody
kapilarne podlegają sile ciężkości, przekazują ciśnienie, mają
zdolność rozpuszczania, zamarzają w temperaturze nieco
niższej od 0 st.C. Wyróżnia się: wodę kapilarną właściwą –
nieoderwaną od wody wolnej w strefie saturacji i wody
kapilarne zawieszone – tworzące soczewki w strefie aeracji;

Zjawisko podsiąku
kapilarnego

Średnice kapilarne:
Makropory d<50 nm
Mezopory 2 nm<d<
50 nm
Mikropory d<2 nm

Wody wolne – tworzące w strefie aeracji
lokalne zbiorowisko nad stropem soczewki
utworów nieprzepuszczalnych, którego zasoby
zmieniają się pod wpływem opadów i
parowania.

Wody podziemne

Wody podziemne

GRUNT JAKO OŚRODEK
POROWATY

Ośrodek porowaty

Ośrodek porowaty jest to ciało stałe, lub

też zbiór takich ciał, zawierające na tyle
dużą ilość wolnych przestrzeni, że możliwy
jest przepływ przez nie pojedynczych
płynów lub ich mieszanin, zwany
przepływem filtracyjnym lub filtracją.

Ośrodek porowaty

Przestrzenie wolne - zwane również częścią porową,

skomplikowaną i najczęściej nieregularną sieć kanalików i
połączeń w ośrodku porowatym.

Część stała ośrodka porowatego:

•

sztywny szkielet (np. skała wapienna),

•

szkielet elastyczny (np. układ warstw tkaniny)

•

zbiór cząstek: luźnych bądź też w jakiś sposób z sobą
połączonych (np. gleba).

Poszczególne fragmenty bądź elementy szkieletu ośrodka porowatego

mogą być bardzo różnych kształtów i wielkości i mogą składać się z
jednego lub też wielu różnych materiałów.

Grunt

Grunt jest układem trójfazowym, złożonym z

fazy stałej, ciekłej i gazowej.

Fazy gruntu:

• Fazę stałą stanowią cząstki szkieletu gruntowego:

mineralne, organiczno – mineralne i organiczne,

• fazę ciekłą – woda i roztwory gruntowe,
• fazę gazową – powietrze gruntowe.

Dodatkowo w strefie wzajemnego oddziaływania

powietrza i wody wyróżnia się czwartą fazę –
przejściową, lub tzw. ściśliwą błonę powierzchniową

Grunt

Popularne definicje (Wikipedia)

• powierzchnia ziemi, podłoże, teren

–

grunt (geologia)

: utwór skalny (skała, osad) - rodzimy,

antropogeniczny, nasypowy, mineralny, organicznym, spoisty, sypki i
in.

–

gruntowe podłoże

 budowlane przenoszące obciążenie od budowli

–

grunt (geotechnika)

: materiał ze złoża gruntowego służący do

wykonania budowli ziemnej

• grunt nośny: grunt, na którym można posadowić bezpośrednio określoną

budowlę bez obawy o powstanie w jej elementach niebezpiecznych dla jej
konstrukcji naprężeń

• grunt słaby, grunt nienośny: grunt o obniżonych parametrach nośności,

który może nie wytrzymać obciążeń od określonej budowli

– dno zbiornika wodnego

• warstwa ziemi nadająca się pod uprawę

– użytek rolny
– gleba

Grunt

Grunt jako
ośrodek
porowaty

Właściwości gruntu

Gęstość objętościowa gruntu jest to stosunek

masy próbki gruntu do objętości tej próbki
łącznie z porami. Określa się ją ze wzoru:

 
 
- gęstość objętościowa [kg/cm

3

]

- masa próbki gleby w stanie nienaruszonym

[kg]

- objętość próbki gleby w stanie

nienaruszonym [m

3

]

V

m

o

o





o



o

m

V

Właściwości gruntu

Porowatość objętościowa
 

gdzie:
e – porowatość [-],
V

1

– objętość wolnej przestrzeni pomiędzy

cząstkami [m

3

],

V – objętość całkowita gruntu [m

3

].

V

V

1





Właściwości gruntu

Wilgotność objętościową ośrodka

porowatego można zdefiniować jako
stosunek objętości wody w próbce
gruntu do całkowitej objętości próbki.

gdzie:



– wilgotność objętościowa (uwilgotnienie

gruntu)[m

3

·m

-3

],

V

w

– objętość wody w próbce gruntu [m

3

],

V- objętość całkowita [m

3

].

V

V

w





Właściwości gruntu

Stopień saturacji (nasycenia) definiowany jest jako

stosunek uwilgotnienia aktualnego do
uwilgotnienie w warunkach pełnego nasycenia –
wypełnienia woda całej objętości przestrzeni
międzyziarnowych.

gdzie:
S – stopień saturacji [-],



sat

– wilgotność w stanie pełnego nasycenia [m

3

·m

-3

],



akt

– wilgotność aktualna [m

3

·m

-3

].

sat

akt

S





