HYDROLOGIA,

METEOROLOGIA

I KLIMATOLOGIA

Cz. II – HYDROLOGIA

W 5 – Wody podziemne

2

M. Nawalany

Rodzaje wody w ośrodku skalnym:

• woda higroskopijna – woda zaadsorbowana na fazie stałej ośrodka

porowatego wskutek działania sił molekularnych. Woda ta związana
jest
z fazą stałą ośrodka najsilniej i usuwa się ją przez suszenie w 105-
110°C

• woda błonkowata – woda związana z fazą stałą ośrodka dzięki siłom

elektrycznym; związanie to jest dużo słabsze niż w przypadku wody
higroskopijnej; z wodą błonkowatą wiąże się pojęcie wodochłonności
molekularnej

• woda kapilarna – woda podnosząca się ponad swobodne zwierciadło

wody gruntowej wskutek sił kapilarnych (włoskowatych); przyczyną
powstawania sił kapilarnych są zjawiska na granicy faz powodowane
przez siły adhezji i kohezji

• woda kapilarna zawieszona – woda zawieszona ponad swobodnym

zwierciadłem wody podziemnej; zjawisko to zachodzi w momencie gdy
zwierciadło opada i woda kapilarna traci z nim kontakt; zawieszenie
wody jest możliwe dzięki łańcuszkowemu charakterowi kapilar

• woda zawieszona (przemijająca) – woda pozostająca na

nieprzepuszczalnej soczewce znajdującej się w warstwie wodonośnej.

Zagadnienie wilgotności gruntu

Współczynniki charakteryzujące grunt:

1. Grunt suchy – nie zawiera wody adhezyjnej, kapilarnej, ...,
charakteryzowany jest przez współczynnik porowatości
objętościowej n:

V

V

n

P



gdzie: V

P

– objętość porów w badanej próbce gruntu, V – objętość próbki

gruntu.

2. Grunt wilgotny – dla tego gruntu definiuje się współczynnik
odsączalności w

pc

:

n

w

pc



3. Grunt mokry – zawiera wodę adhezyjną, wodę kapilarną i
wodę
w martwych porach; dla gruntu mokrego definiuje się
współczynnik porowatości efektywnej n

e

:

n

w

n

pc

e





Prędkość a specyfika rozmieszczenia

Przejście od skali mikro do makro

Na rysunku pokazano linię przekroju przez trzy pory (i, i+1, i+2)
istniejące między czterema ziarnami fazy stałej.
Rozważane będzie zagadnienie pola prędkości V

r

.

Przejście od skali mikro do makro – prędkość w porze

Średnie pole prędkości w obrębie pojedynczego poru: w każdym
punkcie powierzchni przekroju poru prędkość ma wartość
zdefiniowaną następująco:

i

p

S

i

p

v

i

i

i

p

i

p

r

p

S

dS

v

v





gdzie:
- powierzchnia przekroju poru
V

r

- funkcja opisująca pole prędkości na powierzchni rozważanego przekroju

poru.

i

p

S

Przejście od skali mikro do makro – średnia prędkość porowa

Średnia prędkość porowa V

p

: wynik uśrednienia po wszystkich

porach (od 1 do N

p

) prędkości średnich .

i

p

v

gdzie:
N

p

- liczba porów w rozważanym

przekroju.















p

i

p

i

i

N

i

1

i

p

N

i

1

i

p

p

p

S

S

v

v

Przejście od skali mikro do makro – pole przepływu właściwego

Pole przepływu właściwego – c.d.

Związek wartości przepływu właściwego q z wielkością średniej
prędkości porowej V

p

i współczynnikiem porowatości

powierzchniowej n

s

:

s

p

N

k

k

S

N

i

i

p

N

i

i

p

N

i

i

p

N

i

i

p

p

N

k

k

S

N

i

i

p

N

i

i

p

p

n

v

S

S

S

S

S

v

S

S

S

v

S

Q

q

s

k

p

i

p

i

p

i

p

i

i

s

k

p

i

p

i

i































































1

1

1

1

1

1

1

1

gdzie:
- pole powierzchni przekroju k-tego ziarna
n

s

- porowatość powierzchniowa.

k

S

S























s

k

p

i

p

i

N

k

k

S

N

i

i

p

N

i

i

p

s

S

S

S

n

1

1

1

Pole przepływu właściwego – c.d.

Widać zatem, że:

• przepływ właściwy jest mniejszy od średniej prędkości

porowej, ponieważ 0 < n

s

< 1

• przepływ właściwy ma wymiar strumienia:

q = V

p

· n

s























s

m

m

s

m

2

3

Związek pomiędzy porowatością (objętościową) n

V

, a

porowatością powierzchniową n

s

jest następujący:

s

p

v

n

V

V

n

n







Różnice między fizyką a hydrogeologią

• fizyka

–

prędkość

• hydrogeologia –

przepływ

właściwy

v

q

n

v

q

p

























)

t

,

z

,

y

,

x

(

q

)

t

,

z

,

y

,

x

(

q

)

t

,

z

,

y

,

x

(

q

q

z

y

x

• fizyka

–

ciśnienie p

• hydrogeologia –

wysokość hydrauliczna 

z

p

z

ρg

p

)

t

,

z

,

y

,

x

(

















Pomiar wysokości hydraulicznej

Wysokość słupa wody h a ciśnienie
hydrostatyczne p na dnie piezometru

:

Po zainstalowaniu piezometru wielkości H

k

i z i są

znane: H

k

– z pomiaru geodezyjnego, z – na

podstawie znajomości długości piezometru

Pomiar h polega na:





p

h

• zmierzeniu świstawką

(gwizdkiem
hydrogeologicznym)
głębokości zalegania
zwierciadła wody w
piezometrze - G

• obliczeniu h na podstawie

pomiaru G oraz znajomości
H

k

oraz z.