”WODA -

podstawa

ż

ycia i cywilizacji"

M. Nawalany
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Warszawska

„Panta rhei” – „Wszystko płynie”

(Heraklit z Efezu: 540 – 480 p.n.e.)

Etymologia słowa „woda”

sanskryt

– vis

greka

-

hýdōr (ίδόρ)

łacina

– aqua

j. germańskie

– water

j.słowiańskie

- woda

SUSZA

- długotrwały brak wody w przyrodzie. Susz

ę

poprzedza

okres niewielkich opadów lub ich brak (susza atmosferyczna), a w
wyniku przedłu

ż

ania si

ę

niedoboru opadów nast

ę

puje przesychanie

coraz gł

ę

bszych warstw gleby (susza glebowa). Ostatni

ą

faz

ą

jest

susza hydrologiczna - obni

ż

eniu ulega poziom wód podziemnych,

zmniejsza si

ę

przepływ w rzekach, wysychaj

ą ź

ródła, a nawet

mniejsze cieki wodne. Bezpo

ś

rednim skutkiem suszy jest zakłócenie

naturalnego bilansu wodnego danego obszaru

.

RZGW Kraków

Powód

ź

- wezbranie wód rzecznych lub morskich,

powoduj

ą

ce wymierne straty, zarówno w sferze spo

ł

ecznej, jak i

materialnej. Przyczyny wyst

ą

pienia powodzi :

intensywne opady deszczu,

roztopy wiosenne,

zatamowanie biegu rzeki przez zatory lodowe czy osuwiska,

uszkodzenie obiektów hydrotechnicznych (np. przerwanie

tamy),

cofka, tsunami i in.

Wielko

ść

powodzi okre

ś

la si

ę

w 3-stopniowej skali:



małe - o zasi

ę

gu lokalnym,

 ś

rednie - o zasi

ę

gu regionalnym, nie maj

ą

wp

ł

ywu na

funkcjonowanie pa

ń

stwa,



du

ż

e - o zasi

ę

gu krajowym, maj

ą

charakter kl

ę

ski

ż

ywiołowej, zakłócaj

ą

normalne funkcjonowanie pa

ń

stwa

lub jego du

ż

ej cz

ęś

ci, istnieje wtedy konieczno

ść

pomocy

mi

ę

dzynarodowej.

Konflikty o wodę

• Konflikty na tle ilości wody (niedostatek wody,

wody graniczne)

• Konflikty na tle jakości wody (użytkownicy w

górze i dole rzeki)

• Konflikty na tle wykorzystania zasobów

wodnych (użytkownik – energetyka,
użytkownik ekologia)

• Konflikty na tle dynamiki zasobów (przerwanie

wałów przeciwpowodziowych, dolina Rozpudy)

1162

1998

2000

-

-

-

Slovenia

636

1998

3640000

68

24

36

Spain

1220

1998

108000

2.9

0.28

9.5

United
Kingdom

624

1998

115000

8.9

0.26

3.0

Sweden

824

1998

174000

-

-

-

Slovakia

855

1998

632000

78

8.8

11

Portugal

600-750

1998

100000

8.3

1.4

16

Poland

778

1998

565000

34

2.7

7.9

Netherlands

383

1990

763

25

0.014

0.06

Malta

934

-

-

-

-

-

Luxemburg

656

1995

9247

6.6

0.018

0.27

Lithuania

641

1995

20000

12

0.036

0.29

Latvia

832

1998

2698000

45

20

44

Italy

1118

-

-

0.018

0.00020

1.1

Ireland

589

1998

210000

32

2.5

7.6

Hungary

652

1998

1422000

81

6.2

7.8

Greece

700

1998

485000

20

9.3

47

Germany

867

1998

2000000

10

3.9

40

France

537

1998

64000

2.7

0.066

2.5

Finland

626

1995

3680

4.9

0.0080

0.16

Estonia

703

1998

476000

42

0.54

1.3

Denmark

677

1998

24000

2.1

0.055

2.6

Czech Rep

498

1994

39938

71

0.17

0.24

Cyprus

847

-

-

-

-

-

Belgium

1110

1998

4000

0.99

0.021

2.1

Austria

12792628

51

123

241

EU-25

Annual rain

fall

(mm/year)

Year of

irrigation data

Irrigated land

(ha)

Agricultural

water use

(as % of total

water use)

Agricultural

water use

(km

3

/year)

Total

water use

(km

3

/year)

Country

Cele polityki w dziedzinie

wody:

• 1. zaopatrzenie ludności w wodę pitną
• 2. dostawa wody dla rolnictwa, przemysłu

i gospodarki komunalnej

• 3. ochrona środowiska wodnego oraz

ekosystemów wodnych i od wody
zależnych

4. ograniczenie skutków powodzi i suszy

.

Narzędzia polityki w

dziedzinie wody

• Nauka -

HYDROLOGIA

• Zintegrowane zarządzanie zasobami

wodnymi (ang. IWRM)

• Uregulowania prawne (Ramowa

Dyrektywa Wodna,

Prawo Wodne

)

• Narzędzia ekonomiczne
• Innowacyjne technologie

Etymologia słowa

„hydrologia”

hýdōr (ίδόρ)

- 'woda'

lógos (λόγωσ)

- 'mowa; słowo;

wypowiedź; wiadomość;
opowieść; księga; rachunek; myśl;
opinia; dowód; wartość; stosunek'

logia

- 'zbiór; kolekcja'

„Natura jest ciągłym ruchem

materialnych i niepodzielnych

cząstek (atomów), których połączenie

daje w efekcie różnorodne ciała”

(Demokryt z Abdery : 460 – 370 p.n.e.)

Cząsteczka wody (1)

• H

2

O – najprostszy trwały związek wodoru z tlenem

(88,81% masy – tlen, 11,19% masy - wodór)

• wodór – 1 proton, tlen – 8 protonów
• 36 odmian izotopowych wody (3 izotopy wodoru: H,

D, T oraz 6 izotopów tlenu: O

14

– O

19

)

Tab.1 Względna częstość występowania ważniejszych

odmian izotopowych

5

D

2

16

O

ciężka woda

37

H

2

17

O

204

H

2

18

O

100 000

H

2

16

O

Cząsteczka wody (2)

• H

2

O – prosta cząstka wody;

cząstka dipolowa

(tj. ładunek

dodatni i ujemny są rozsunięte), odległość H-O
wynosi 0,96 Å , odległość H-H wynosi 1,54 Å,

kąt rozwarcia H-O-H wynosi 105°

• H

4

O

2

, H

8

O

4

, ... –

asocjacje cząsteczek wody

• Liczba koordynacyjna (liczba najbliższych sąsiadów)

w krysztale lodu – 4;
układ elementarnej komórki lodu –

heksagonalny

•

Konsekwencje dla anomalnej rozszerzalności wody!

Podstawowe własności wody (2a)

Gęstość wody (a) – anomalna rozszerzalność wody

• Gęstość wody w przedziale (0º C - 3,98º C) wzrasta
• Gęstość wody w przedziale (3,98º C - 100º C) maleje

• Gęstość lodu o 10% mniejsza niż gęstość wody

w temp. 0º C – wynosi 916,80 kg/m

3

999,13

15

999,73

10

999,99

5

1000,00

3,98

999,87

0

Gęstość, kg/m

3

Temperatura, ºC

Cząsteczka wody (3)

Tab.2 Temperatury topnienia i wrzenia związków

pierwiastków VI grupy

-1,8

-51,0

128,6

H

2

Te

-41,5

-60,4

81

H

2

Se

-60,4

-85,6

34

H

2

S

siarkowodór

+100,0

0,0

18

H

2

O

-33,5

-77,8

17

NH

3

amoniak

Temp.

Wrzenia

(°C)

Temp.

Topnienia

(°C)

Masa

cząsteczkow

a

Związek

Podstawowe własności wody (1)

5·10

-6

Przewodność elektrolityczna, S/m

1,000

Lepkość dynamiczna, mN s/m

2

72,75

Napięcie powierzchniowe, mN/m (20°C)

4,19

Ciepło właściwe, J/(g K)

2260

Ciepło parowania, J/g

333,75

Ciepło topnienia J/g

+3,98

Temperatura maks. gęstości, °C

+100,00

Temperatura wrzenia, °C

0,0

Temperatura topnienia, °C

998,2

Gęstość, kg/m

3

(20°C)

18,0153

Masa cząsteczkowa

Podstawowe własności wody (2)

Gęstość wody (b) - konsekwencje

•

Lód wypływa na powierzchnię zbiorników

wodnych

• Woda o największym ciężarze właściwym

(temp. 3,98º C) „tonie” i znajduje się na dnie

zbiornika wodnego

• Woda osiąga gęstość lodu dopiero w temp. +70º C

Podstawowe własności wody (3)

Ciepło właściwe wody

• Wśród wszystkich substancji chemicznych woda

odznacza się jedną z największych

wartości ciepła

właściwego – 4186 J/(kg K)

• Oznacza to

dużą pojemność cieplną

wody,

a w konsekwencji

dużą bezwładność (łagodność)

zbiorników wodnych na temperaturowe
wymuszenia zewnętrzne

•

Duża wartość ciepła topnienia lodu

powoduje, że

woda pod lodem jest dobrze izolowana termicznie

Podstawowe własności wody (4)

Napięcie powierzchniowe (n.p.)

•

Def.

Napięcie powierzchniowe jest to praca, jaką należy

wykonać w celu zwiększenia powierzchni cieczy
o jednostkę powierzchni (Nm/m

2

).

• Woda ma największe n.p. z wszystkich cieczy

• Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się wraz

ze wzrostem temperatury

• Wartość n.p. wody zmniejsza się wraz ze wzrostem

zawartości w niej subst. humusowych i rozpuszczalników
organicznych, detergentów itp. ⇒

⇒

⇒

⇒

woda o zmniejszonym

n.p. jest szkodliwa dla organizmów żywych

Podstawowe własności wody (5)

Rozpuszczalność

W wodzie rozpuszczają się ciała stałe, ciecze i gazy

• Każda substancja rozpuszcza się w wodzie

w określonym stopniu (zależnym od: rodzaju
substancji, temperatury i ciśnienia)

•

Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem

ze względu na swoją budowę dipolową

• Woda w naturze nigdy nie wystepuje w postaci

„czystej” – zawsze jest roztworem (jonów)
różnych substancji

HYDROLOGIA

jest nauk

ą

o wodach

wyst

ę

puj

ą

cych w przyrodzie

.

•

Przedmiotem bada

ń

hydrologii

jest

kr

ąż

enie wody w

przyrodzie

z uwzgl

ę

dnieniem jej wła

ś

ciwo

ś

ci fizycznych

i chemicznych

•

Kr

ąż

enie wody w przyrodzie

(tj. rozkład przestrzenny

i dynamika czasowa zasobów i strumieni wody) podlega
w skali globu a tak

ż

e lokalnie :

czynnikom naturalnym

– cz. kosmicznemu

cz. geologicznemu
cz. meteorologicznemu
cz. biologicznemu

czynnikowi antropogenicznemu

Sk

ą

d si

ę

bierze woda w Polsce ?

•

Podstaw

ę

empiryczn

ą

hydrologii stanowi

hydrometria

• Hydrologia jest gał

ę

zi

ą

geofizyki

• Przyj

ę

to traktowa

ć

hydrologi

ę

jako

nauk

ę

o wodach l

ą

dowych – badaniem

wód morskich zajmuje si

ę

oceanologia

Hydrologia

dzieli si

ę

na:

•

hydrometeorologi

ę

-

nauk

ę

zajmuj

ą

c

ą

si

ę

m.in. opadami

i osadami atmosferycznymi

•

potamologi

ę

-

hydrologi

ę

wód płyn

ą

cych

•

limnologi

ę

-

hydrologi

ę

wód stoj

ą

cych

•

geohydrologi

ę

/hydrogeologi

ę

-

nauk

ę

o wodach podziemnych

•

glacjologi

ę

-

nauk

ę

o lodowcach i

ś

niegu

M.Nawalany
Politechnika Warszawska

Definicja

WODY POWIERZCHNIOWE (l

ą

dowe)

zbiorowiska wód, które wraz z rozpuszczonymi w
nich substancjami oraz unosz

ą

cymi si

ę

w nich

cz

ą

stkami stałymi (sedymentem) płyn

ą

po

powierzchni ziemi lub pozostaj

ą

w spoczynku.

M.Nawalany
Politechnika Warszawska

Definicja

WODY PODZIEMNE

zbiorowiska wód, które wraz z innymi cieczami (np.
rop

ą

naftow

ą

) i gazami (np. powietrzem

atmosferycznym, gazem naturalnym) wypełniaj

ą

w

sposób naturalny cz

ęś

ciowo lub całkowicie pory i

szczeliny o

ś

rodka skalnego pod powierzchni

ą

ziemi.

POTAMOLOGIA -

nauka o rzekach,

(powierzchniowych l

ą

dowych wodach

płyn

ą

cych)

Badania potamologiczne dotycz

ą

:

•

sposobu zasilania rzek w wod

ę

•

dynamiki waha

ń

poziomu i przepływu wody

•

zmian temperatury wody

•

zjawisk towarzysz

ą

cych zlodzeniu rzek

•

ruchu rumowiska rzecznego

•

składu chemicznego wody

•

ż

ycia biologicznego w rzekach

•

klasyfikacji rzek

•

topologii sieci rzecznej

LIMNOLOGIA -

nauka o zbiornikach wód

ś

ródl

ą

dowych (z.w.

ś

.)

Badania limnologiczne dotycz

ą

:

•

własno

ś

ci fizycznych, chemicznych oraz termiki

ś

rodowiska wodnego z.w.

ś

.; ich przestrzennego

rozkładu i ewolucji w czasie

•

procesów zasilania i hydrodynamiki przepływu wód

w jeziorach i zbiornikach wodnych

•

wzajemnego oddziaływania z.w.

ś

. z systemem

atmosferycznym i

ś

rodowiskiem wód podziemnych

•

ż

ycia biologicznego w jeziorach i zbiornikach

wodnych

•

zwi

ą

zków pomi

ę

dzy procesami biologicznymi a

hydrodynamik

ą

przepływu wód oraz dynamik

ą

zmian

ich składu chemicznego i temperatury w z.w.

ś

.

GEOHYDROLOGIA/HYDROGEOLOGIA –

nauka o wodach podziemnych i

ś

rodowisku

skalnym w którym wyst

ę

puj

ą

(dział geologii)

Badania geohydrologiczne dotycz

ą

:

• zjawisk i procesów zwi

ą

zanych z wyst

ę

powaniem

wody w skałach skorupy ziemskiej

• własno

ś

ci fizycznych, chemicznych oraz termiki wód

podziemnych z uwzgl

ę

dnieniem ich przestrzennego

rozkładu i ewolucji/przemian w czasie

• procesów zasilania i dynamiki wód podziemnych
• wzajemnego oddziaływaniem wód podziemnych z

systemem atmosferycznym i wodami
powierzchniowymi (rzekami, jeziorami i zbiornikami

)

Badania hydrogeologiczne dotycz

ą

ponadto:

•metodyki poszukiwa

ń

wód podziemnych

•szacowania zasobów wód podziemnych

•ustalania sposobów ich wykorzystania

•projektowania uj

ęć

wód podziemnych

•monitorowania i ochrony zasobów wód

podziemnych

Zasoby wodne

Wyra

ż

enie „

zasoby wodne

” ma dwa

znaczenia:

• obiektywne

– jako miara ilo

ś

ci wody zawartej w

pewnej przestrzeni, [m

3

, km

3

]

oraz

• antropocentryczne

– u

ż

ywane w kontek

ś

cie

zagro

ż

enia/komfortu, jakie stwarza dla człowieka

brak/dostatek odpowiedniej ilo

ś

ci wody o

odpowiedniej jako

ś

ci w odpowiednim miejscu i

czasie, [„niedostateczne”, „wystarczaj

ą

ce”,

„zanieczyszczone”, „efemeryczne”].

Zasoby wodne

Klasyfikacja naturalnych zasobów wodnych:

1.

odnawialne i nieodnawialne

(obiektywna własność możliwości odnowienia zasobów
wodnych przez naturalne zasilanie)

2.

statyczne i dynamiczne

(zmienność w czasie ilości zasobu)

3.

dyspozycyjne

(nadające się do wykorzystania

z uwzględnieniem ograniczeń wynikających
z wymogów środowiska naturalnego)

4.

eksploatacyjne

(część zasobów dyspozycyjnych, które

można w sposób uzasadniony ekonomicznie pozyskać)

Zasoby wodne – bilans zasobów

wodnych

Typy bilansów wodnych - kryterium

czasowe

1.Bilans chwilowy

– szybkość zmian

zasobów wodnych, (m

3

/s, m

3

/d)

2.Bilans okresowy

– całkowita zmiana

wielkości zasobów wodnych w ciągu
ustalonego okresu czasu, (m

3

)

Zasoby wodne – bilans zasobów

wodnych

Typy bilansów wodnych – kryterium

obiektowe

•

Bilans wodny obszaru

(kraju, regionu,

zlewni)

•

Bilans wodny elementu zlewni

(rzeki,

jeziora, warstwy wodonośnej, lodowca)

Zasoby wodne Polski

Opad

– 235 km

3

/rok (600-750 mm/rok)

Parowanie

– 175 km

3

/rok

Odpływ całkowity

– 60 km

3

/rok

w tym

odpływ podziemny

– 35 km

3

/rok

odpływ powierzchniowy

– 25km

3

/rok

Bilans wodny (zlewni)

gdzie

H

E

rzeki

gr

P

rosl

sat

ae

wpow

V

V

V

V

V

R

R

R

R

−−−−

−−−−

−−−−

++++

====

∆∆∆∆

++++

∆∆∆∆

++++

∆∆∆∆

++++

∆∆∆∆

)

0

(

)

(

wpow

wpow

wpow

R

T

R

R

−−−−

====

∆∆∆∆

)

0

(

)

(

ae

ae

ae

R

T

R

R

−−−−

====

∆∆∆∆

)

0

(

)

(

sat

sat

sat

R

T

R

R

−−−−

====

∆∆∆∆

)

0

(

)

(

rosl

rosl

rosl

R

T

R

R

−−−−

====

∆∆∆∆

∫∫∫∫ ∫∫∫∫

Ω

Ω

Ω

Ω

====

T

P

dt

dxdy

t

y

x

P

V

0

)

,

,

(

∫∫∫∫ ∫∫∫∫

ΣΣΣΣ

====

ΣΣΣΣ

T

n

gr

dt

d

t

x

y

x

q

V

0

)

,

,

,

(

∫∫∫∫

====

T

rzeki

rzeki

dt

t

Q

V

0

)

(

∫∫∫∫ ∫∫∫∫

Ω

Ω

Ω

Ω

====

T

E

dt

dxdy

t

y

x

E

V

0

)

,

,

(

∫∫∫∫

====

T

H

H

dt

t

Q

V

0

)

(

Etymologia słowa

„hydrologia”

hýdōr (ίδόρ)

- 'woda'

lógos (λόγωσ)

- 'mowa; słowo;

wypowiedź; wiadomość;
opowieść; księga; rachunek; myśl;
opinia; dowód; wartość; stosunek'

logia

- 'zbiór; kolekcja'

Zasoby wodne Polski

• Suma opadów na terenie Polski –

600 -750mm/rok

– w pasie nizin 500-550 mm/rok

– w rejonach górskich i podgórskich 1100 mm/rok

• Średni odpływ roczny z terytorium Polski ~

63km

3

/rok

(lata 1951-2000)

– waha się w granicach 37,5 – 90 km

3

– w latach suchych mogą powstawać rozległe obszary

z niedoborem wody (w roku 2003 średni roczny odpływ
z terytorium wynosił Polski 42 km

3

, a deficyt wody odczuwany

był na powierzchni 40% kraju)

Zasoby wodne Polski

• Wskaźnik dostępności wody dla ludności –

1600m

3

/mieszkańca/rok

(iloraz średniego rocznego

odpływu do ilości mieszkańców)

– w Europie średnio 4500 m

3

/mieszkańca/rok

• Objętość zwykłych wód podziemnych (zasoby statyczne)

–

3000 km

3

– ze względu na niską odnawialność, zasoby eksploatacyjne –

16 km

3

/rok

– 62% z utworów czwartorzędowych

– 38% z utworów trzeciorzędowych, kredowych i starszych

Zasoby wodne Polski

• Długość rzek ~

95000 km

(22 000 km w gestii RZGW)

• Ilość jezior -

9300

(1% powierzchni Polski), w tym jezior

dużych (>1000 ha) -

34