Ochrona wĂłd podziemnych, Ochrona wód podziemnych


Ochrona wód podziemnych. Wojciech Szymalski

Prowadzący: Józef Mikołajków

Wykład 1. Zagadnienia powtórzeniowe z hydrogeologii.

Schematy przepływu i obiegu wód w przyrodzie - skąd się biorą wody podziemne.

Bilanse obiegu wód w przyrodzie, np.: Bilans Wundta.

Odpływ wód z lądów do oceanów - 37000 km3 wody. Ilość wód podziemnych w ogóle szacuje się na 60000 km3.

Co to są wody podziemne? Podział wód podziemnych. Najwięcej szkód możemy wyrządzić wodom przypowierzchniowym w strefie aeracji i wodom wgłębnym w pierwszym poziomie wodonośnym. Typy genetyczne wód podziemnych oraz czynniki rządzące infiltracją wody w grunt.

Prędkości przemieszczania się wód w skałach: piaski - m/dobę; warstwy półprzepuszczalne - mm/dobę. Wynika z tego, że izolacja poprzez warstwy nieprzepuszczalne nie jest doskonała.

Zbiorniki wód podziemnych: UPWP - poziom o możliwym, opłacalnym wydobyciu i w miarę trudnych warunkach degradacji. Jego parametry to: miąższość(m) - co najmniej 5m; wydajność potencjalna studni (k) 10m3/h, ale nie mniej niż 5m3/h; przewodność (t) - 50m3/dobę (t=m*k); moduł zasobów regionalnych - 5m3/d/km2.

Ochrona zbiorników wód podziemnych: obszar ochronny; obszar najwyższej ochrony GZWP (ONO); Obszar wysokiej ochrony GZWP (OWO).

Zasilanie wód podziemnych.

Rodzaje zasobów wód podziemnych (m3/dobę):

Ustawa Prawo Wodne - Dz. U. Z dnia 11.10.2001, nr 115, poz. 1229. Prawo weszło w życie 1.01.2002 roku.

Prawo stanowi, iż wszelkie wody podziemne są własnością państwa.

W sprawie zarządzania tym zasobem powołany został Krajowy Zarząd Wód Podziemnych wraz z 7 Wojewódzkimi Zarządami. Szacowaniem zasobów i t. p. zajmuje się państwowa służba meteorologiczno-hydrologiczna i służba hydrogeologiczna.

Według prawa korzystanie z wód dzieli się na:

  1. Powszechne - zaspokajanie potrzeb osobistych bez użytku specjalnych urządzeń technicznych oraz w ramach wypoczynku i turystyki

  2. Zwykłe - przysługujące właścicielowi gruntu do zaspokajania potrzeb własnego gospodarstwa domowego lub rolnego (z wyjątkiem nawadniania gruntów) przy pomocy urządzeń o poborze do 5m3/dobę.

  3. Specjalne - wykraczające poza powszechne lub zwykłe.

Pozwolenia wodnoprawnego wymaga specjalne użytkowanie wód podziemnych, wykonywanie urządzeń wodnych, za wyjątkiem studni do głębokości 30m dla potrzeb zwykłych, a także odwadniania obiektu lub wykopu budowlanego jeżeli lej depresji nie wykracza poza teren właściciela obiektu.

Wykład 2. Aby otrzymać pozwolenie wodnoprawne konieczna jest cała procedura projektowa i wykonawcza, regulowana stosownymi rozporządzeniami MŚ.

Można wyróżnić następujące etapy prac:

  1. Opracowanie projektu prac geologicznych.

  2. Zatwierdzenie projektu prac geologicznych (w projekcie muszą być podane takie dane jak: powierzchnia zlewni, pobór wody, cel poboru, GZWP na danym terenie, parametry urządzeń i sytuacji geologicznej, warunki ochrony wód i t. p.)

  3. Wykonanie prac geologicznych (studni, ujęcia).

  4. Opracowanie dokumentacji powykonawczej.

  5. Zatwierdzenie dokumentacji. Do dokumentacji muszą być dołączone:

  1. Operat wodnoprawny (dodatkowy dokument).

  2. Pozwolenie wodnoprawne (decyzja).

Dla każdych prac geologicznych konieczny jest projekt prac geologicznych. Prace geologiczne to każde prace, które powodują inwazyjną ingerencję w budowę geologiczną terenu. Nie są pracami geologicznymi badania geofizyczne, chyba, że użyte są materiały wybuchowe. Prace geologiczne mogą być wykonywane, kierowane i dozorowane tylko przez osoby posiadające odpowiednie kwalifikacje.

Wyróżnia się 10 kategorii uprawnień geologicznych. Dla prac hydrogeologicznych konieczne są uprawnienia kategorii IV lub V. Kategoria IV jest ważniejsza o tyle, że posiadając tę kategorię można rozpoznawać zasoby i wykonywać prace służące badaniu lub udostępnieniu kopalin podstawowych, do jakich zaliczane są wody lecznicze, solanki i wody termalne. Kategoria V nie może wykonywać takich prac, poza tym może pracować z wodami podziemnymi. Aby uzyskać uprawnienia geologiczne należy mieć odpowiedni staż pracy i zdać państwowy (wojewódzki) egzamin komisyjny.

Projekt prac geologicznych powinien przede wszystkim określać:

  1. Cel prac, sposób osiągnięcia tego celu i rodzaj dokumentów wymaganych dla przedsięwzięcia osiągającego ten cel.

  2. Harmonogram prac.

  3. Przestrzeń (miejsce) prac zarówno w pionie jak i w poziomie.

  4. Przedsięwzięcia konieczne do ochrony środowiska w związku z wynikiem prac i likwidacją tego wyniku (przedsięwzięcia) po określonym czasie.

Rozporządzenie o projekcie prac geologicznych (Dz. U. Nr 153, poz. 1777, 19. 12. 2001)

Projekt prac geologicznych dla przedsięwzięć związanych z hydrogeologią zatwierdzają:

  1. Starosta - dla ujęć o wydajności do 50m3/h.

  2. Wojewoda - dla ujęć powyżej 50m3/h.

  3. Minister Środowiska - dla ujęć wód mających status kopalin podstawowych, dla regionalnych badań hydrogeologicznych, ustalania stref ochronnych wód.

Wszystkie decyzje muszą być uzgodnione z jednym z siedmiu RZGW, która orzeka czy pozwolenie może być wydane na podstawie danych o zasobach regionalnych.

Zatwierdzenie projektu prac geologicznych zezwala na prace geologiczne i faktycznie na eksploatację. Projekt prac geologicznych powinien być sporządzony w 3 egzemplarzach.

W przypadku prac o wierceniach powyżej 100m wgłąb lub prac na terenach górniczych konieczne jest powiadomienie o tym fakcie nadzoru górniczego poprzez wysłanie mu "planu ruchu zakładu górniczego" do zatwierdzenia.

Rozporządzenie o dokumentacji hydrogeologicznej (Dz. U. 153, poz. 1779, 19. 12. 2001)

Dokumentacja (hydro)geologiczna jest konieczna dla każdej pracy (hydro)geologicznej. Dokumentację sporządza się w celu:

  1. Ustalenia zasobów wód podziemnych (dyspozycyjnych i eksploatacyjnych) dla ujęcia.

  2. Określenia warunków hydrogeologicznych w przypadku np.: wtłaczania wody do górotworu, projektu odwodnień, inwestycji mogącej zanieczyścić wody podziemne.

Dokumentacja powinna określać przede wszystkim:

1). Budowę geologiczną i warunki hydrogeologiczne danego terenu.

2). Warunki występowania wód podziemnych w tym charakterystykę warstw wodonośnych.

3). Jakość wody podziemnej dla każdej oraz stałość składu i cechy fizyczne, dla to wody leczniczej.

4). Przedsięwzięcia konieczne dla ochrony wód podziemnych.

5). Przedsięwzięcia konieczne dla ochrony obiektów na powierzchni ziemi.

6). Techniczne możliwości wydobycia lub wtłaczania wód .

7). Granice projektowanych stref ochronnych (propozycje dla planistów przestrzennych). Nie są konieczne gdy woda nie będzie wykorzystywana do celów konsumpcyjnych.

8). Zasoby i depresję w oznaczonych poziomach wodonośnych w określonym czasie.

Dokumentację hydrogeologiczna przyjmują lub zwracają do poprawy te same organy, które zatwierdzały projekt prac geologicznych.

Dokumentacja hydrogeologiczna powinna być sporządzona w co najmniej 4 egzemplarzach. Egzemplarze są dla poszczególnych jednostek:

Niedługo być może RZWP upomną się o swoje kopie dokumentacji.

Operat wodnoprawny to dokument, który opisuje parametry studni oraz urządzeń, które związane są z dalszym poborem i przesyłem tej wody do użytkowników.

Pozwolenie wodnoprawne otrzymuje się co najwyżej na 10 lat. Wydając pozwolenie wodnoprawne organ kieruje się też takimi wskazaniami, że w pierwszej kolejności z wód podziemnych może korzystać ludność, potem przemysł spożywczy, a dopiero na końcu inne przemysły. Jest to sposób sterowania tym kto otrzyma ten zasób państwowy. W pozwoleniu mogą być zawarte pewne obowiązki związane z wydobyciem, np.: udostępnienie wody dla ludności lub straży pożarnej i t. p.

Komisja Dokumentacji Hydrogeologicznej (KDH) jest to instancja odwoławcza dla odrzuconych projektów prac geologicznych i spornej dokumentacji hydrogeologicznej. Ona też zatwierdza i opiniuje regionalne dokumentacje wód podziemnych i dokumenty dotyczące stref ochronnych wód podziemnych.

Projektowanie geologiczno-techniczne otworu.

Studnia zupełna (z filtrem obejmującym cała warstwę wodonośną), tak naprawdę z powodów ochronnych nigdy nie powinna być do końca zupełna. Powinno być pozostawione z dołu i góry około 0,5-1m przestrzeni. Powinniśmy zawsze przewidywać rurę podfiltrową na śmieci które przedostaną się przez filtr. Przy studni zupełnej mamy do czynienia z dopływem t. zw.: płasko radialnym (linie równoległe w kierunku filtra), który zapewnia laminarny ruch wody w warstwie wodonośnej.

Studnia niezupełna nie pobiera wody z całego przekroju warstwy wodonośnej. Ponieważ tak jest mamy tu do czynienia ze sferyczno-radialny lun radialnym typem dopływu wody (linie nierównoległe w kierunku filtra), który może powodować przepływ turbulentny mogący mieć wpływ na przenikanie śmieci do filtra. Przy studni niezupełnej możemy mieć też do czynienia ze strefą aktywną warstw wodonośnej - jest to ta wysokość warstwy na którą ma wpływ nasze ujęcie.

Ważne jest zapewnienie izolacji poszczególnych poziomów wodonośnych podczas wiercenia i eksploatacji. Do tego trzeba dobrać odpowiednia średnicę początkową rur, aby można było kontynuować wiercenie w kolejnych warstwach wodonośnych rurami o coraz mniejszych średnicach umieszczonych wewnątrz poprzednich rur. Na końcu każdej rury powinno się montować specjalne korki. Ostatnią rurę osłonową filtru (tę która leży w eksploatowanym poziomie wodonośnym) należy podciągnąć do górnej krawędzi filtru.

Zwykle pompa jest powyżej krawędzi górnej filtra. Nie jest wskazane umieszczanie pompy poniżej tej krawędzi lub pod filtrem. Ważne jest aby nad pompą były zainstalowane wyłączniki pompy reagujące na nadmierne obniżenie się zwierciadła wody w poziomie wodonośnym.

Zwróćmy też zawsze uwagę na infrastrukturę powierzchniową ujęcia. Głowica studni powinna umożliwi pobór próbek i inne pomiary w ujęciu. Obudowa ujęcia powinna być szczelna dla przecieków wody opadowej i innej.

Wykład 3. Narzędzia gospodarki wodami:

  1. RZGW (Gdańsk, Gliwice, Kraków, Poznań, Szczecin, Warszawa, Wrocław):

  1. Sporządzanie dokumentacji zasobowej zlewni.

  2. Sporządzanie dokumentacji zasobowej zbiorników wód podziemnych.

  1. Państwowa Służba Hydrologiczno-Meteorologiczna i Państwowa Służba Hydrogeologiczna.

  2. Pozwolenie wodnoprawne (wydają organy samorządu w uzgodnieniu z RZGW, które konsultuje je z planami gospodarki wodami i warunkami korzystania z wód).

  3. Kontrola gospodarki wodami - inspektorzy RZGW (nie wiadomo czy równolegle z inspektorami PIOŚ).

  4. Opłaty za pobór wód i odprowadzanie ścieków.

  5. Kataster wodny - system informacyjny o gospodarce wodami.

Strefy ochronne ujęć wód podziemnych.

Na tych obszarach ustala się nakazy, zakazy i ograniczenia w zakresie korzystania z wód i użytkowania terenu. W razie ustanowienia takich ograniczeń właścicielom gruntów należą się z tego tytułu odszkodowania wypłacane z budżetu państwa. Strefy ochronne dzielimy na obszary ochrony:

  1. Bezpośredniej - gdzie zabronione jest inne użytkowanie gruntów, niż związane z użytkowaniem ujęcia. Jest to ogrodzony teren, oznakowany, na który nie mają wstępu osoby do tego niepowołane. Kiedyś było to obligatoryjne 8-20m wokół ujęcia, a teraz jest to uzależnione od warunków hydrogeologicznych. Gdy nie ma konieczności wyznaczenia strefy ochrony pośredniej, ten obszar ustanawia wojewoda lub starosta.

  2. Pośredniej - (kiedyś dzielony dodatkowo na obszar ochrony biologicznej, 30 dni dopływu wody do ujęcia, i chemicznej, 25 lat) Jest to obszar wyznaczony 25 letnim czasem dopływu wody do ujęcia (obszar zasilania - zwykle zapewniający amortyzację takiej inwestycji). Na tym terenie mogą być zabronione pewne działania, ale może też nie być w ogóle tej strefy ochronnej. Zakazy i nakazy mogą być różne w różnych częściach tego obszaru. Zależy to od warunków hydrogeologicznych. Strefę tą ustala się na podstawie dokumentacji hydrogeologicznej. W związku z zakazami w tej strefie ustala się odszkodowania. Obszar ten ustanawia zawsze dyrektor RZGW.

Obszary ochronne zbiorników wód podziemnych (zbiorników wód śródlądowych).

Na takich obszarach obowiązują nakazy, zakazy i ograniczenia związane z korzystaniem z wód i użytkowaniem terenu. Obszary takie obejmują przede wszystkim obszary zasilania zbiorników wód podziemnych. Proponuje się ustanawiać:

Obszary te wprowadza RZGW na podstawie planu gospodarki wodami regionu wodnego lub zlewni.

Definicje:

Obszar wpływu ujęcia na wody podziemne - obszar na którym w wyniku pompowania zmieniają się parametry warstwy wodonośnej i zmieniają swój kierunek linie przepływu wody (często jest utożsamiany z lejem depresji).

Obszar zasobowy - obszar określony zasięgiem spływu wód do ujęcia, na którym kształtowane są zasoby (eksploatacyjne) ujęcia.

Obszar spływu wód do ujęcia - obszar na którym linie prądu kierują się w kierunku ujęcia. Na jego podstawie powinny być określone obszary ochronne.

Lej depresji

Prędkość filtracji - fikcyjna makroskopowa prędkość przepływu wody w ośrodku nasyconym. Ile wody przepływa przez określony przekrój ośrodka, niezależnie od jego porowatości. (V = k * I).

Prędkość rzeczywista - prędkość filtracji odniesiona do przestrzeni porowej (uwzględnia porowatość). Jest większa od prędkości filtracji. Tę prędkość uwzględniamy określając strefę 25 lat dopływu wody do ujęcia. Wzór: U = V / Ne.

Metody wyznaczania stref ochronnych ujęć wody:

  1. Metody graficzne - najmniej dokładne; ocena wielkości strefy ochronnej na podstawie przewidywanych efektów działania ujęcia. Używamy tutaj funkcji Thysa, która pozwala wyznaczyć nam okręgi zasięgu leja depresji. Te okręgi nakładamy na mapę hydroizohips i obliczamy nową siatkę hydroizohips obrazującą wpływ ujęcia na poziom wody w warstwie wodonośnej. Na podstawie nowej siatki możemy wyznaczyć linie prądy biegnące do ujęcia, w tym, trochę na oko, t. zw.: neutralną linię prądu, po której woda nie płynie ani do studni ani nie spływa w kierunku od niej. Linia ta wyznacza nam strefę ochronną ujęcia.

  2. Metoda Wysslinga, zalecana przez Environment Protection Agency(USA) - jest to połączenie prostych obliczeń z metodą graficzną; Jednostką osi układu jest główna linia przepływu wody, gdy nie ma studni. Na podstawie wzoru określamy szerokość strefy spływu wód do ujęcia na tej linii w teoretycznej nieskończoności oraz w miejscu studni. Obliczamy też odległość studni od jej punku martwego (punkt leżący na osi układu, z którego woda nie płynie do ujęcia, ani w kierunku od niego). Obliczeń tych możemy dokonać gdy znamy wydajność studni i niektóre parametry warstwy wodonośnej. Na podstawie wyznaczonych wielkości możemy wrysować strefę ochronną na mapę. Pamiętajmy, że należy obliczyć zasięg 25 lat spływu wody do ujęcia na podstawie prędkości rzeczywistej.

  3. Nomogramy - tabele lub rysunki dla typowych przypadków ujęć wody, pozwalające wyznaczyć teoretyczne strefy ochronne.

  4. Metody modelowe (komputerowe) - najdokładniejsze ze wszystkich metod; wymagają dostarczenia dużej ilości danych dla programu komputerowego; kroki obliczeniowe muszą być przeważnie parę razy mniejsze niż szukana wielkość strefy ochronnej.

W zależności od wybranej metody otrzymane wyniki bardzo różnią się od siebie. To co nas interesuje tak naprawdę to mapa z zasięgiem strefy ochronnej.

Wykład 4. Jeszcze o praktyce wyznaczania stref ochronnych ujęć wody.

W wypadku wyznaczania 25 letniej strefy ochrony pośredniej ujęcia, możemy, gdy jest to możliwe uwzględniać wpływ nadkładu na warstwą wodonośną na zasięg tej strefy. W takim wypadku najczęściej obliczamy czas jaki potrzebuje woda na przesączenie się przez warstwę nadkładu i odejmujemy go od 25 lat przy wyznaczaniu strefy ochronnej.

Zanim jednak przystąpimy do wyznaczania tego czasu należy ustalić, czy stosunki ciśnień piezometrycznych nadległych warstw wodonośnych i tej, z której czerpiemy wodę, nie wykluczają przesiąkania wody do naszej warstwy. Mamy trzy możliwości:

0x08 graphic

1. 2. 3.

Ciśnienie war- Ciśnienie war- Ciśnienie war-

stwy dolnej stwy dolnej jest stwy dolnej jest

jest większe, mniejsze, niż niższe w leju

niż górnej i górnej i woda depresji, a poza

woda przesiąka przesiąka w dół . tym wyższe, więc

w górę. woda przesiąka

w dół i w górę.

W jaki sposób mogą w ogóle przenikać zanieczyszczenia do warstwy wodonośnej:

  1. Z góry przez strefę aeracji (zanieczyszczenia rolnicze, przemysłowe, deszcz).

  2. Bezpośrednio poprzez doły, wyrobiska, kanały krasowe, działalność górniczą, studnie chłonne, niedokładne wiercenie studni, szambo w studni (zanieczyszczenia rolnicze, deszczowe, z innych warstw wodonośnych).

  3. Z góry lub z dołu przez okna hydrogeologiczne lub warstwy półprzepuszczalne (inne wody podziemne).

  4. Z boku, np.: z wód powierzchniowych.

  5. Z samego poziomu wodonośnego, np.: na skutek zmiany stosunków hydrochemicznych w wyniku przesuszenia warstwy, powstania związków rozpuszczalnych szkodliwych dla zdrowia.

Sama strefa ochronna nie jest zawsze skuteczna, potrzebne są inne ograniczenia wydobycia, np.: z powodu:

  1. Ustalenia zasobów dyspozycyjnych i eksploatacyjnych, których wielkości nie możemy przekroczyć.

  2. Dopuszczalnej wydajności ujęcia (Qmax), ponieważ:

  1. Budowy filtra, bo:

  1. Nie możemy doprowadzić do obniżenia się ciśnienie piezometrycznego w warstwie poniżej połowy ciśnienia naturalnego (s<0,5H).

  2. Umieszczenia pompy w ujęciu:

  1. Ograniczają nas leje depresyjne innych studni.

  2. Wyznaczenie strefy ochronnej - czasem jej wyznaczenie jest niemożliwe przy dużej wydajności, bo okazuje się, że w obrębie strefy dla tej wydajności znajduje się niemożliwe do usunięcia źródło zanieczyszczeń.

  3. Działalność kopalniana.

Aby oceniać możliwość ograniczenia strefy ochronnej należy:

W strefach całkowicie nasyconych wodą ten czas wylicza się na podstawie prawa Darcy. Na podstawie prawa filtracji mamy: V = k * I, gdzie I to różnica ciśnień piezometrycznych warstwy eksploatowanej i tej leżącej ponad nią podzielona przez drogę filtracji (czyli miąższość strefy nasyconej). Za strefę nasyconą uznajemy też całą strefę warstwy nieprzepuszczalnej. Potem wyliczamy rzeczywistą prędkość filtracji:

U = V / Ne (Ne - porowatość efektywna) Na tej podstawie możemy już łatwo wyliczyć czas przesiąkania wody przez interesującą na strefę (np.: półprzepuszczalną): T = m / U (m - miąższość strefy).

Gdy do obliczenia musimy uwzględniać więcej niż jedną strefę nasyconą, półprzepuszczalną i t. p. to na końcu sumujemy czasy z każdej strefy otrzymując jeden wiarygodny wynik.

W strefach nie nasyconych całkowicie wodą mamy do dyspozycji dwie metody:

  1. Model wypierania tłokowego - model opiera się na tym, że woda, która przemieszcza się w porach gruntu, wypiera dotychczas będącą tam wodę. Do obliczeń potrzebna nam jest głównie wilgotność w strefie [aeracji] i ilość wody zasilającej tę strefę, np.: opad. Najpierw obliczamy wielkość infiltracji: W = P * w, gdzie "P" to wielkość opadu, a "w" - współczynnik infiltracji. Potem spokojnie możemy obliczyć czas wymiany wody w całej strefie [aeracji]: T = m * s / w, gdzie "m" to miąższość warstwy, a "s" wilgotność. Jeśli mamy do czynienia z większą niż jedna ilością warstw nienasyconych to możemy dodawać wyniki tylko, gdy wgłąb ziemi współczynnik "k" rośnie. Jeżeli wgłąb ziemi współczynnik "k" maleje, to już pierwsza warstwa o mniejszym "k" jest uznawana za nasyconą i liczona według prawa Darcy.

  2. Wzór Bindemana - właściwie mamy tu dwie możliwości. Najpierw posługiwano się wzorem:

U = (W2 * k)1/3/ Ne, gdzie po przekształceniu T = m * Ne / (W2 * k)1/3. Potem jednak okazało się, że w strefie nienasyconej nie możemy mówić o porowatości efektywnej, więc zamiast niej posłużono się wilgotnością: U = (W2 * k)1/3/ s, gdzie po przekształceniu T = m * s / (W2 * k)1/3.

Po obliczeniu czasów stref nienasyconych i nasyconych, i zsumowaniu, mamy już całkowity czas przesiąkania wody do naszej warstwy wodonośnej. Możemy go odliczyć od 25 lat i tylko dla wyniku tej różnicy obliczać wielkość strefy ochronnej.

Nie zawsze jednak możemy liczyć ten czas od powierzchni terenu. Dzieję się tak głównie w strefach, gdzie teren jest przekształcony mocno przez człowieka, np.: w miastach. Wtedy zwykle liczymy czas dopiero od 4-10 metra pod powierzchnią terenu, lub nawet głębiej, gdy wiemy, że są na terenie jeszcze głębsze budowle. Wszystko to jednak pozwala nam ograniczyć uciążliwość strefy ochronnej i jej obszar.

Wykład 5. (7.05) Podstawowe procesy opisujące migrację zanieczyszczeń.

Adwekcja - transport poprzez proste unoszenie z płynącą wodą podziemną (w strumieniu wód) wywołany przepływem wód z prędkością rzeczywistą (U=k*I/ Ne). Do określenia prędkości rzeczywistej używamy tutaj pojęcia porowatości aktywnej (Ne), które jest niekiedy równoważne porowatości efektywnej, ale nie zawsze. Porowatość aktywna zmienia się dla różnych cieczy w zależności od ich napięcia powierzchniowego, a porowatość efektywna nie. Różne zanieczyszczenia wody podziemnej mogą zmieniać jej napięcie powierzchniowe, dlatego uwzględniamy tu ten, a nie inny rodzaj porowatości. Porowatość efektywna to stosunek przestrzeni porowej czynnej w czasie filtracji do objętości całkowitej skały.

Do opisu adwekcji możemy używać w pewnych prostych przypadkach t. zw.: tłokowego modelu migracji. Jest to opis migracji bez uwzględnienia dyspersji przenoszonej w wodzie substancji. Aby uwzględnić dyspersję rozważamy:

Dyspersję hydrodynamiczną - jest to rozproszenie cząstek spowodowane niejednorodnością pola filtracji, wywołującą zróżnicowanie prędkości w poszczególnych częściach przestrzeni porowej, kanalikach i t. p.

0x08 graphic
Dyspersja zależy od ośrodka, kształtu porów, Rys. 1 Rys. 2

wielkości ich połączenia ze sobą i t. p. Jest to

cecha gruntu tak jak współczynnik filtracji "k".

Istnieją dwa rodzaje dyspersji: podłużna (rys.1),

która powoduje rozmycie plamy na boki, oraz

podłużna (Rys. 2), która powoduje rozmycie stężenia zanieczyszczenia na końcu i początku plamy. Dyspersja podłużna jest dużo lepiej poznana niż poprzeczna. Istnieje stała dyspersji , która jest różna dla obu rodzajów dyspersji i odpowiada rozmiarom niejednorodności ośrodka. Zależność między stała dyspersji poprzecznej i podłużnej opisuje równanie: pop = 0,005 + 0,2*pod.

Dyfuzję molekularną - czyli wyrównywanie stężeń składników w mieszaninie cieczy, w wyniku bezwładnego ruchu cieplnego cząsteczek - może to być gradient stężenia, temperatury, ciśnienia lub sił pól zewnętrznych. Najczęściej zachodzi dyfuzja stężeniowa. Dyfuzję opisuje Prawo Ficka. Dyfuzja zależy od stężeń, odległości i współczynnika dyfuzji cieczy. Natężenie dyfuzji zależy od charakteru substancji i stężenia.

Dyfuzja adwekcyjna - czyli zachodząca jednocześnie z przepływem wód podziemnych. Wtedy do Prawa Ficka dodajemy człon adwekcyjny uwzględniający prędkość rzeczywistą wody w przestrzeni porowej.

Czas połowicznego rozpadu (dla substancji promieniotwórczych) lub okres półtrwania (dla zwykłych substancji chemicznych lub np.: bakterii) - jest to okres po którym substancja ulegnie rozpadowi lub rozkładowi lub przemianie promieniotwórczej zmniejszającej jej stężenie początkowe w cieczy. Określone jest wzorem:

T1/2 = ln2/ K, gdzie K to stała rozpadu lub zaniku promieniotwórczego.

Wytrącanie i rozpuszczanie - poprzez zmiany warunków hydrogeochemicznych (pH, Eh, temperatura) lub w wyniku przekroczenia przez dany minerał stanu nasycenia w cieczy może on osadzić się, zmniejszając stężenie w cieczy, lub rozpuścić zwiększając stężenie.

Wymiana jonowa - desorpcja lub adsorpcja wzajemna jonów na podstawie prawa działania mas. Dotyczy głównie kationów.

Sorpcja - gromadzenie się na powierzchni fazy stałej lub koloidów cząsteczek, jonów, na skutek działania sił van der Waalsa (sorpcja fizyczna - dominuje i jest odwracalna) lub połączeń chemicznych (sorpcja chemiczna - mniejsza zwykle nieodwracalna). Aby zaszła sorpcja musi istnieć ładunek na powierzchni fazy stałej. Istnieje t.zw.: punkt izoelektryczny, czyli wartość pH, dla której tego ładunku nie ma, bo wszystkie wiązania są obsadzone protonami(lub innymi kationami) i cząstka nie ma ładunku wewnętrznego. Zwykle ten punkt wynosi dla różnych substancji poniżej pH = 7, dlatego sorbowane są głównie kationy (sorpcja kationowa, powyżej pH dla punktu izoelektrycznego). Czasem jednak, np.: dla tlenków żelaza, punkt ten występuje dla pH wyższego od 7 i wtedy są sorbowane aniony (sorpcja anionowa, poniżej wartości pH dla punkt izoelektrycznego).

Sorpcję opisuje się jako pewną równowagę pomiędzy stężeniami substancji sorbowanej w fazie stałej i roztworze. Konstruuje się t. zw.: izotermy sorpcji, czyli krzywe pozwalające ocenić podstawowe parametry sorpcji, jak stała podziału (Kd) i współczynnik opóźnienia migracji (R). Dla oceny rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń interesuje nas szczególnie ten drugi parametr. Jest on określony jako stosunek prędkości przepływu wody do prędkości przepływu zanieczyszczeń (R = Vaq/ Vzan). Oblicza się go zawsze dla konkretnych stężeń zanieczyszczeń w roztworze. Obliczenia wykonuje się dla różnych modeli - istnieją trzy: Henry'ego, Freundlich'a i Langmuir'a, które omówiono na wykładzie z hydrogeochemii na II roku MSOŚ.

Przy rozważaniu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powinniśmy starać się unikać chaosu pojęciowego, dlatego należy umieć rozróżniać następujące pojęcia:

Dyspersja - zespół procesów prowadzących do zmian stężeń substancji w wodach podziemnych w czasie i przestrzeni. Przy czym substancje rozpatruje się w całości jako zanieczyszczenie.

Migracja - suma procesów transportu i przemieszczania się masy i ciepła w strumieniu wód podziemnych rozpatrywana jako przemieszczanie się poszczególnych cząstek w roztworze z punku A do B.

Migracja wielofazowa - migracja jednej substancji, lub mieszaniny substancji w wielu fazach na raz, np.: gazowej. rozpuszczonej, cięższej od wody i lżejszej od wody, koloidalnej, mieszającej się lub nie i t. p.

Mobilność substancji - zdolność substancji do przemieszczania się (migracji) w wodach podziemnych zróżnicowana warunkami naturalnymi przepływu wód i środowiska hydrogeochemicznego oraz właściwościami migrującej substancji i ośrodka skalnego.

Uproszczony algorytm oceny zagrożenia wód podziemnych (jakościowy):

  1. Postawienie problemu - skala i rodzaj skażenia;

  2. Ustalenie miejsca przenikania zanieczyszczeń.

  3. Rozpoznanie hydrogeologiczne ośrodka porowego i roztworu wodnego.

  4. Określeni obszaru pola filtracyjnego i warunków granicznych przenikania zanieczyszczeń.

  5. Graficzne i opisowe przedstawienie pola hydrodynamicznego.

  6. Równanie opisujące ruch wody w polu hydrodynamicznym.

  7. Zdefiniowanie miejsc, wielkości i czasu trwania "iniekcji".

  8. Obliczenia minimalnych czasów migracji zanieczyszczeń w kierunku zagrożonych obiektów ( z uwzględnieniem opóźnień).

Dokładny algorytm opisu zagrożenia (ilościowy):

  1. 0x08 graphic
    0x08 graphic
    Określenie obszaru pola filtracji i warunków granicznych.

  2. Określenie prędkości w polu hydrodynamicznym.

  3. Weryfikacja modelu pola hydrodynamicznego:

0x08 graphic
Pozytywna Negatywna

  1. Równanie ruchu wody w polu hydrodynamicznym.

  2. Zdefiniowanie miejsc, wielkości i czasu trwania "iniekcji" zanieczyszczeń.

  3. Rozkład minimalnych czasów migracji zanieczyszczeń.

  4. Określenie współczynnika dyspersji i stałej podziału sorpcji i t. p. według literatury i danych terenowych.

  5. Równanie migracji zanieczyszczeń.

  6. Rozwiązanie równania dyspersji i rozkład koncentracji zanieczyszczeń wokół obiektu.

  7. Czasowo przestrzenna wizualizacja koncentracji.

Wykład 6. (14.05) Monitoring wód podziemnych - to kontrolno-decyzyjny system oceny dynamiki antropogenicznych przemian w wodach podziemnych. Polega na prowadzeniu w wybranych charakterystycznych punktach powtarzalnych pomiarów i badań stanu zwierciadła wód i ich jakości oraz na interpretacji wyników badań. Istnieje system monitoringu wód podziemnych na różnych poziomach ( również notatki Hydrogeochemia - rok II, semestr II):

Główne cele i problemy monitoringu:

  1. Rozpoznanie systemu hydrogeologicznego:

  1. Rozpoznanie warunków zasilania.

  2. Rozpoznanie reżimu wodnego.

  3. Ocena stanu początkowego.

  4. Badania wstępne - rozpoznawcze.

  5. Ocena zachodzących procesów hydrogeologicznych.

  6. Reprezentatywność punktów obserwacyjnych - właściwa ilość i lokalizacja punktów i częstotliwość opróbowywania, pozwalająca na uchwycenie zmian w wodach podziemnych.

  7. Sposób organizacji sieci obserwacyjnej - dobór materiałów, metod opróbowania, analityki.

  8. Zasady eksploatacji sieci obserwacyjnej - częstotliwość prób, sposób postępowania z nimi, metody analityczne.

  9. Minimalizacja nakładów na utrzymanie sieci.

  10. System kontroli wyników:

Główne czynniki decydujące o organizacji sieci monitoringu ( H, r.II, sem.II):

O lokalizacji piezometrów wokół monitorowanego obiektu (np.: składowiska odpadów).

Na pewno muszą być minimum dwa takie piezometry. Jeden powinien monitorować wody czyste, które nie są pod wpływem obiektu, a drugi wody przez ten obiekt zanieczyszczone. Drugi piezometr nie powinien być ani za blisko, ani za daleko od obiektu, czyli w takiej odległości, aby wody zanieczyszczone mogły być ocenione na okoliczność jakiegoś nadzwyczajnego zanieczyszczenia. Zwłaszcza tych drugich piezometrów powinno być więcej niż jeden, tak aby można było ocenić zmiany stężenia zanieczyszczeń w czasie i przestrzeni. Lokalizację punktów możemy wyliczyć na podstawie podobnych wzorów jak do obliczenia strefy ochronnej.

Częstość opróbowania zależy od tego jak szybko przemieszcza się woda w monitorowanej warstwie i w ogóle jak szybko mogą przebiegać zjawiska w moniotorowanej strefie. Ostatnio także rozporządzenia Min. Zdrowia wprowadziło uzależnienie częstości opróbowywania w monitoringu ujęć wód od picia od wielkości obsługiwanej sieci wodociągowej, czyli od liczby mieszkańców obsługiwanych przez sieć. Należy też pamiętać, że rozprzestrzenianie się zanieczyszczenia zależy także od właściwości tej substancji.

W zależności od tego jak chcemy monitorować warstwę możemy instalować filtry piezometrw na całej szerokości warstwy, wiele pizometrów w różnych głębokościach warstwy, lub nawet wielopoziomowe punkty obserwacyjne w warstwie lub wielu warstwach. Odgrywa to swoją rolę także w kosztach monitoringu. Lokalizacja piezometrów w miarę możliwości powinna uwzględniać strefy uprzywilejowanego przepływu zanieczyszczeń, zwłaszcza na terenach o skomplikowanej tektonice.

Musimy mieć na uwadze to, że nasza reakcja na zmiany warunków musi być jak najszybsza, t.zn.: musimy być w stanie zareagować na sytuacje awaryjne (sposoby postępowania wykłady H. r. II). Sezonowe zmiany składu wód w ciągu roku mogą być także taki, że w pewnych sezonach nie będziemy pobierali wody zgodnej z normami. De tego tez należy dostosowywać opróbowanie, więc zaleca się w pierwszych latach dużo częstsze opróbowanie, niż to wynika z wyliczeń, tak, aby potem dostosować częstotliwość do tej zmienności.

Klasyfikacja jakości wód podziemnych dla monitoringu i Min. Zdrowia (wody pitne) patrz notatki r.II, H.

Metodyka pobierania próbek monitoringowych wykłady rok II.

Źródła błędów w czasie opróbowywania wykłady rok II.

Przyczyny błędów i ich udział w ogólnej liczbie wykłady rok II.

Ocena wyników-rodzaje błędów i granic (np.: wykrywalności, decyzji) wykłady rok II.


Wyszukiwarka