Wydział Inżynierii Środowiska
Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej
Gospodarka Wodna
Gospodarka Wodna
Zakład Gospodarki Wodnej
Wykład nr 3
Wykład nr 3
OPRACOWAA

dr hab.inż. Wojciech Chmielowski prof. PK
Kierunek: Ochrona Åšrodowiska
Kierunek: Ochrona Åšrodowiska
Na podstawie podręcznika
 HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii ,
Jerzy KOWALSKI,
WUP, Wrocław 2007
WODY PODZIEMNE
WODY PODZIEMNE
HYDROGEOLOGIA
HYDROGEOLOGIA
OGÓLNA
OGÓLNA
HYDROGEOLOGIA OGÓLNA
HYDROGEOLOGIA OGÓLNA
Hydrogeologia , jako nauka o wodach podziemnych,
zajmuje siÄ™ badaniem ich
" pochodzenie,
" właściwości fizykochemicznych,
" rozmieszczenia i sposobów przemieszczania się w
skorupie ziemskiej.
Hydrogeologia , poza ścisłym związkiem z innymi
naukami geologicznymi, opiera siÄ™ na wielu naukach
przyrodniczych, jak meteorologia i klimatologia, fizyka i
geofizyka, chemia i geochemia, gleboznawstwo i
balneologia.
Hydrogeologia bardzo ściśle powiązana jest z
Hydrogeologia bardzo ściśle powiązana jest z
hydrologia, geologia inżynierską, hydrauliką i
hydrologia, geologia inżynierską, hydrauliką i
hydrologia
hydrodynamikÄ….
hydrodynamikÄ….
HYDROGEOLICZNE WA
AÅšCIWOÅšCI SKAA

HYDROGEOLICZNE WA
AÅšCIWOÅšCI SKAA

Porowatość
Skład granulometryczny
Przepuszczalność i pojemność skał
Charakterystyka hydrogeologiczna skał
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
Podstawową właściwością skał , dzięki której możliwe jest
występowanie i przemieszczanie się wody podziemnej, jest ich
porowatość lub szczelinowatość.
Występowanie porów zależy od pęknięć ( szczelinowatość) w
różnym stopniu przenikającym skały, których pochodzenie wiąże
się z różnymi procesami geologicznymi, oraz od budowy skał
okruchowych , składających się z odłamków skalnych i
minerałów nieszczelnie przylegających do siebie.
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
Wielkość odłamków warunkuje rozmiary i ogólną ilość
porów.
Objętość porów w skałach okruchowych zależy od
" wymiarów i kształtu ziaren( cząstek),
" ich wzajemnego ułożenia i
" stopnia różnoziarnistości
Objętość wolnych przestrzeni wskazuje na
ilość wody, jaka w danej skale może być
magazynowana,
Wymiar i kształt wolnych przestrzeni
określają przepuszczalność skały
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
Klasyfikacja wolnych przestrzeni w skałach
1. Wolne przestrzenie pierwotne
a/ w skałach osadowych
b/ w skałach magmowych
2. Wolne przestrzenie wtórne
a/ spękania i szczeliny,
b/ krasowe,
c/ przestrzenie wytworzone przez korzenie roślin,
zwierzęta
Gdyby cząstki , z których składa się skała, były kulami o jednakowej
średnicy, to objętość porów w jednostce objętości zależałaby tylko
od wzajemnego ułożenia ziaren , a byłaby niezależna od ich średnicy.
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
Można wyobrazić sobie trzy sposoby ułożenia ziaren
sześcienny rombowy
romboedrowy
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
Liczbową miarą porowatości jest współczynnik porowatości
będący stosunkiem objętości porów do całej skały
Vp
n=
V
Dla układu sześciennego , najbardziej luz
nego
3
ëÅ‚ öÅ‚
d
3
ìÅ‚ -
÷Å‚
ìÅ‚d ÷Å‚
6
íÅ‚ Å‚Å‚
nmax = = 0,4764
3
d
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
współczynnik porowatości dla układu rombowego
n=0,3954
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
współczynnik porowatości dla układu romboedrowego
nmin=0,258
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
W naturalnych warunkach wartości współczynników porowatości mogą
zarówno przekraczać wartość maksymalną jak i przyjmować
wartości mniejsze od minimalnej.
Współczynnik porowatości jest tym większy , im bardziej ziarna
odbiegają od kształtu kuli.
Ze względu na ruch wody w porach , jak również na działanie sił
międzycząsteczkowych , przyjmuje się w hydrogeologii następujący
podział porów :
" nadkapilarne o średnicy większej niż w których ruch
50µm
wody wolnej zachodzić może pod działaniem siły
ciężkości ( pory grube)
50-0,2µm
" kapilarne o średnicy (pory średnie)
0,2µm
" subkapilarne o średnicy mniejszej niż (pory
drobne), w których woda zostaje związana i
unieruchomiona działaniem sił cząsteczkowych.
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
Wyznaczanie współczynnika porowatości
Objętość porów można wyznaczyć w sposób bezpośredni lub pośredni.
Porowatość skał spowodowaną obecnością szczelin określa się za
pomocą pomiaru bezpośredniego.
1. Próbkę litej skały o znanej objętości suszy się w temperaturze
105-110 stopni C , a po wystudzeniu waży.
2. Następnie próbkę powoli zanurza się w wodzie , aby pory ( szczeliny)
wypełniły się wodą
3. Po pewnym czasie próbkę wyjmuje się z wody , wyciera i ponownie
waży
4. Masa wody wypełniającej pory wynosi
VpÁw=M -M
w s
1.POROWATOŚĆ
1.POROWATOŚĆ
M -M
w s
Zatem objętość porów wynosi :
Vp=
Áw
M -M
w s
PrzyjmujÄ…c
Vp= =M -M
w s
Áw=1
Gęstość właściwa wody
Zatem współczynnik porowatości wynosi:
Vp
n=
V
2. Skład granulometryczny
2. Skład granulometryczny
Skały osadowe składają się z oddzielnych ziaren i cząstek ( cząstki mają
wymiary mniejsze od 0,05mm ) tworzących porowaty układ.
W zależności od zawartości w skałach ziaren różnej wielkości mają one
różne właściwości fizyczne i mechaniczne.
Ziarna lub cząstki mieszczą się w pewnym przedziale średnic .
Przedziały te nazywamy frakcjami.
Rozróżnia się 5 głównych frakcji PN-86/B-02480
Ziarna majÄ… wymiar >=0,05 mm, czÄ…stki < 0,05 mm
2. Skład granulometryczny
2. Skład granulometryczny
Dla oznaczenia składu granulometrycznego ( uziarnienia ) stosuje się
najczęściej trzy metody :
1. analizÄ™ sieciowÄ… dla uziarnienia > 0,07 mm
2. analizę sitowo-areometryczną dla ośrodków
drobnoziarnistych zawierających dużą ilość cząstek mniejszych
od 0,07 mm,
3. analizÄ™ pipetowÄ… , jak w przypadku areometrycznej
Analiza sitowa polega na przesiewaniu wysuszonego gruntu przez zestaw
sit o określonych wymiarach oczek i obliczeniu procentowej zawartości
ciężarowej ziaren pozostających na kolejnych sitach w stosunku do
całkowitego ciężaru badanej próbki. Zawartość poszczególnych frakcji
oblicza siÄ™ ze wzoru:
mi
Zi= Å"100%
ms
2. Skład granulometryczny
2. Skład granulometryczny
Zi Zawartość frakcji o rozmiarach ziaren między dwoma sąsiednimi
sitami,
mi Masa frakcji pozostałej na sicie i
Masa szkieletu gruntowego całej próbki
ms
Znając zawartość poszczególnych frakcji wykonuje się
wykres uziarnienia .
Z wykresu uziarnienia można wyznaczyć procentowe
zawartości poszczególnych frakcji oraz pewne
charakterystyczne średnice ( d10, d50, d60 itp.) , gdzie d10,
d50, d60 oznacza średnicę ziarna ( cząstki ) , które wraz z
mniejszymi stanowią 10, 50, 60 % ogólnej masy próbki.
2. Skład granulometryczny
2. Skład granulometryczny
WYKRES UZIARNIENIA GRUNTU
F R A K C J E
iłowa pyłowa piaskowa żwirowa kam.
100 0
90 10
80 20
70 30
60 40
50 50
40 60
Rodzaj gruntu: .........................................
30 70
20 80
10 90
0 100
0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000
Średnica zastępcza ziarna (cząstki) -d [mm]
zawartość cząstek o średnicy większej niż d [%]
zawartość cząstek o średnicy mniejszej niż d [%]
0.500
0.002
0.006
0.020
0.060
0.250
5.000
25.00
40.00
15.00
2. Skład granulometryczny
2. Skład granulometryczny
W hydrologii do określania przepuszczalności skały stosuje się miedzy
innymi pojęcie tzw. średnicy miarodajnej dm
Przez średnicę miarodajną rozumiemy taką wielkość
ziaren gruntu, która w zbiorze ziaren o różnej średnicy
decyduje o przepuszczalności gruntu.
Najczęściej za średnicę miarodajną przyjmuje się wartość
d10 ( oznacza średnicę ziarna ( cząstki ) , które wraz z mniejszymi
stanowią 10 % ogólnej masy próbki ).
Wyróżnia się grunty równoziarniste lub różnoziarniste
2. Skład granulometryczny
2. Skład granulometryczny
Miarą różnoziarnistości jest tzw. wskaz
nik różnoziarnistości U
d60
U=
d10
U<= 5 grunt równoziarnisty ( piaski wydmowe, lessy),
5U>15 grunt bardzo różnoziarnisty (pospółki, gliny zwałowe )
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Z porowatością skał związane są dwie ich właściwości, ważne z
hydrologicznego punktu widzenia :
1. przepuszczalność
2. pojemność wodna
Pory gruntu łączą się w skomplikowane układy tworząc kanaliki, które
traktować można jako naczynia kapilarne.
Kapilary te umożliwiają przemieszczanie się ( przepływ) cieczy pod
wpływem siły ciężkości lub różnicy ciśnień oraz zatrzymanie przez skałę
pewnej ilości cieczy siłami kapilarnymi
Stopień przepuszczalności zależy przede wszystkim od
wymiarów porów; im pory są większe , tym ciecz łatwiej
przenika przez skałę .
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Średnica kapilar gruntowych zależy głównie od wielkości ziaren, zatem
grunt gruboziarnisty uważać będziemy za dobrze przepuszczalny, grunty
drobnoziarniste za słabo lub praktycznie nieprzepuszczalne.
W gruntach spoistych ( gliny, iły ) pory są zwykle prawie całe wypełnione
wodą związaną z cząsteczkami gruntu siłami międzycząsteczkowymi (
woda higroskopijna i błonkowa ) i trzeba dość znacznego ciśnienia , aby
pokonać opór sił molekularnych i zapoczątkować przepływ wody przez
grunt.
Ilość wody zatrzymywanej trwale siłami kapilarnymi i molekularnymi
wzrasta w miarę zwiększania się ilości kapilarów i rozdrobnienia cząstek.
Jeżeli ze skały o pewnej objętości, woda wypełniająca
pory będzie mogła swobodnie odsączyć się pod wpływem
siły ciężkości, to stwierdzimy , że ilość swobodnie
odsączonej wody jest mniejszą niż ilość wody , która
wypełniała pory.
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Część wody zostanie zatrzymana siłami kapilarnymi i
międzycząsteczkowymi .
Tę właściwość skał do zatrzymywania
Tę właściwość skał do zatrzymywania
wody nazywamy pojemnością wodną
wody nazywamy pojemnością wodną
Rozróżniamy pojemność
" pełną ( maksymalną MPW ) ,
" polowÄ… ( kapilarnÄ… PPW)
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Pełną pojemność wodną ma grunt,
którego pory są całkowicie wypełnione
wodÄ….
Przez polową pojemność wodną
określamy maksymalna ilość wody, która
może być zatrzymana przez grunt po
grawitacyjnym odsÄ…czeniu.
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Wartość pojemności polowej określa się
zwykle jako wilgotność, którą osiąga
nasycona próbka gleby ( gruntu) po 2 do 3
dniach grawitacyjnego odsÄ…czania .
Pojemność wodną podajemy w milimetrach słupa wody w określonej
miąższości profilu glebowego, odpowiada ona stosunkowi objętości wody
na jednostkÄ™ powierzchni gleby.
Jeżeli np. pojemność wodna wynosi 100mm/m oznacza to że w
prostopadłościanie o podstawie 1m2 i wysokości 1m znajduje się 100dm3
wody (Vw= 0,1m* 1,0m2= 0,1m3 )
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Dostępna pojemność wodna
dPW = ÅšPPW - ÅšWTW
PPW polowa pojemność WTW wilgotność trwałego
wodna więdnięcia
Odgrywa istotną rolę w gospodarce wodnej roślin, odpowiada
maksymalnej ilości wody, jaką mogą pobrać rośliny z gleby przy braku
opadów i podciągu kapilarnego z wód podziemnych.
Orientacyjną wartość dPW określić można na podstawie uziarnienia ,
zawartości części organicznych i zagęszczenia gleby.
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
pF Woda niedostępna dla roślin
Krzywa retencji wody
pF = log hc
strefy areacji ( wykres
ciśnienia ssącego pF(Ś) )
4,2
hc wysokośćciśnienia
Dostępna pojemność wodna
kapilarnego
Wilgotność saturacji
2,4
dPW
dPW = ÅšPPW - ÅšWTW
Åš[cm3 cm3]
ÅšWTW
ÅšPPW
S0
S = 0 S = 1
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Orientacyjne wysokości ciśnienia ssącego w zależności od średnicy
porów
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał
Stosunek wody odsączonej grawitacyjnie do całkowitej objętości skały
nazywa się  współczynnikiem odsączalności
Objętość wody
V0
odsÄ…czonej
µ=
grawitacyjnie
V
Objętość skały
(szkieletu wraz
Współczynnik
z porami)
odsączalności
Wartość współczynnika odsączalności wynosi orientacyjnie
Piaski drobnoziarniste 0,14-0,18
Piaski gruboziarniste 0,19-0,23
żwir 0,24-0,28
4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał
4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał
W petrografii skały dzieli się
Petrografia  (od greckiego Ä„­ÄÁÄ… (petra)
na trzy podstawowe grupy
- skaÅ‚a i Å‚ÁŹĆÉ (graphM
) - pisać) nauka o
skałach, zajmująca się składem i
magmowe,
właściwościami fizycznymi i chemicznymi
" metamorficzne,
" osadowe
Skały magmowe
Za typowy dla skał magmowych,
głębinowych można uważać granit.
W związku z bardzo małą
porowatością , przeciętnie 0,76%
nie stanowi on ośrodka
gromadzÄ…cego i przewodzÄ…cego
wodÄ™. Jedynie w przypadku dobrze
rozwiniętego systemu szczelin
http://panoramix.ift.uni.wroc.pl/~ilona/obrazki/przekroj.jpg
granity mogą tworzyć zbiornik
wodny o niedużej zasobności.
4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał
4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał
Współczynnik porowatości niektórych skał
Podział i klasyfikacja
wód podziemnych
KLASYFIKACJA
KLASYFIKACJA
W hydrogeologii istniał problem stworzenia
klasyfikacji opartej na takich kryteriach, z których
wynikałoby maksymalnie dużo własności wody
podziemnej. Najprostsze podziały wód uwzględniają jedną
cechÄ™ np.:
" pochodzenie, temperaturÄ™,
" skład chemiczny,
" właściwości fizyczne ośrodka w którym się znajdują,
" własności organoleptyczne (smak, zapach, barwa).
Ze wzglÄ™
ędu na pochodzenie
Ä™
Ä™
Ze wzglÄ™
ędu na pochodzenie
Ä™
Ä™
(genezÄ™
Ä™) wody podziemne dzielimy
Ä™
Ä™
(genezÄ™
Ä™) wody podziemne dzielimy
Ä™
Ä™
na:
na:
1
" Wody kondensacyjne -- wody powstajÄ…ce pod powierzchniÄ… ziemi
" Wody kondensacyjne wody powstajÄ…ce pod powierzchniÄ… ziemi
w wyniku kondensacji pary wodnej zawartej w atmosferze.
w wyniku kondensacji pary wodnej zawartej w atmosferze.
Dzisiaj nie mamy wątpliwości , że wody podziemne pochodzą przede
Dzisiaj nie mamy wątpliwości , że wody podziemne pochodzą przede
wszystkim z wsiąkających opadów atmosferycznych, to jednak w
wszystkim z wsiąkających opadów atmosferycznych, to jednak w
pewnych warunkach również drogą kondensacjo może dojść do
pewnych warunkach również drogą kondensacjo może dojść do
wzbogacenia zasobów wodnych podziemnych
wzbogacenia zasobów wodnych podziemnych
" Wody juwenilne -- wody powstające na większych głębokościach z
" Wody juwenilne wody powstające na większych głębokościach z
ostygającej magmy, które po raz pierwszy włączają się w ogólny obieg
ostygającej magmy, które po raz pierwszy włączają się w ogólny obieg
wody. W świetle współczesnych poglądów tylko bardzo mała część
wody. W świetle współczesnych poglądów tylko bardzo mała część
wody podziemnej jest pochodzenia magmowego
wody podziemnej jest pochodzenia magmowego
Wody reliktowe - wody leżące pod dużymi seriami warstw
nieprzepuszczalnych, które uniemożliwiają lub silnie utrudniają
włączenie się w obieg.
Pod względem genetycznym wyróżnia się wody reliktowe pochodzenia
" sedymentacyjnego i
" wody kopalne infiltracyjne
Wody sedymentacyjne są wodami dawnych osadów morskich lub
jeziornych. W przypadku gdy nawodniony osad zostanie przykryty
warstwą młodszych osadów nieprzepuszczalnych , odsączanie wody
wskutek działania ciśnienia gromadzących się warstw osadów może być
utrudnione, zwłaszcza wtedy gdy niżej leżące warstwy są również
nieprzepuszczalne. Woda zostaje zamknięta w swych macierzystych
osadach i szczelnie izolowana od innych warstw.
Kopalne wody sÄ… wodami pochodzenia atmosferycznego,
odciętymi z systemu krążenia przez różne procesy geologiczne, np.
tektoniczne. Znajdują się najczęściej głęboko pod ziemią i sa silnie
zmineralizowane.
Wody metamorficzne - wody powstające w czasie przeobrażenia
termicznego niektórych minerałów np.: hydrokrzemianów.
KLASYFIKACJA STOSOWANA W
KLASYFIKACJA STOSOWANA W
POLSCE
POLSCE
Klasyfikacja polska wód podziemnych wg
kryterium hydrogeologicznego uwzglę ępują
ędnia nastę ące
Ä™ Ä™ Ä…
Ä™ Ä™ Ä…
charakterystyki:
" Głębokość występowania
" Układ warstw wodonośnych i
nieprzepuszczalnych
" Stosunek do powierzchni ziemi
" Charakter próżni w których wody podziemne
występują
" Geneza
Z obserwacji wiemy że wody podziemne występują na
mniejszych lub większych głębokościach.
W profilu pionowym wyróżniamy dwie strefy
" strefÄ™ areacji ( napowietrzania )
" strefÄ™ saturacji ( nasycenia)
W strefie areacji pory lub szczeliny wypełnione są powietrzem
oraz częściowo wodą związaną :
1. higroskopijna,
2. błonkowa,
3. kapilarna
W strefie saturacji wszystkie pory i szczeliny są całkowicie
wypełnione wodą . Woda ta występuję jako wolna i podlega
wyłącznie sile grawitacji oraz może swobodnie przesączać się
z miejsc wyższych do niższych
PROFIL
woda wsiÄ…kowa
PIONOWY
ziarno mineralne
otoczone wodÄ…
higroskopijnÄ…
powietrze gruntowe
woda błonkowata
woda kapilarna
zwierciadło wody
podziemnej
woda wolna
strefa areacji
strefa
wzniosu
kapilarnego
strefa
saturacji
Za podstawę podziału przyjęto zwierciadł
ło wód podziemnych,
Å‚
Å‚
które rozdziela ośrodek skalny na dwie strefy:
" aeracji czyli napowietrzenia, gdzie próżnie skalne w
zasadzie wypełnione są powietrzem i
" saturacji, o próżniach nasyconych wodą, co ilustruje
poniższy rysunek:
Wody wsiÄ…kowe
Wody zawieszone
Wody kapilarne
Zwierciadło wody gruntowej
I. Strefa aeracji
Wydział Inżynierii Środowiska
Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej
Gospodarka Wodna
Gospodarka Wodna
Zakład Gospodarki Wodnej
Wykład nr 3
Wykład nr 3
OPRACOWAA

dr hab.inż. Wojciech Chmielowski prof. PK
Kierunek: Ochrona Åšrodowiska
Kierunek: Ochrona Åšrodowiska
Na podstawie podręcznika
 HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii ,
Jerzy KOWALSKI,
WUP, Wrocław 2007
WODY PODZIEMNE
WODY PODZIEMNE
HYDROGEOLOGIA
HYDROGEOLOGIA
OGÓLNA
OGÓLNA