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 Środowiska Kierunek: Ochrona Środowiska 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 się badaniem ich " pochodzenie, " właściwości fizykochemicznych, " rozmieszczenia i sposobów przemieszczania się w skorupie ziemskiej. Hydrogeologia , poza ścisłym związkiem z innymi naukami geologicznymi, opiera się 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 hydrodynamiką. hydrodynamiką. HYDROGEOLICZNE WAAŚCIWOŚCI SKAA HYDROGEOLICZNE WAAŚCIWOŚCI 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 luznego 3 �ł �ł d 3 �ł - �ł �łd �ł 6 �ł łł 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 50�m wody wolnej zachodzić może pod działaniem siły ciężkości ( pory grube) 50-0,2�m " kapilarne o średnicy (pory średnie) 0,2�m " 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 Vp�w=M -M w s 1.POROWATOŚĆ 1.POROWATOŚĆ M -M w s Zatem objętość porów wynosi : Vp= �w M -M w s Przyjmując Vp= =M -M w s �w=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 mają wymiar >=0,05 mm, cząstki < 0,05 mm 2. Skład granulometryczny 2. Skład granulometryczny Dla oznaczenia składu granulometrycznego ( uziarnienia ) stosuje się najczęściej trzy metody : 1. analizę sieciową dla uziarnienia > 0,07 mm 2. analizę sitowo-areometryczną dla ośrodków drobnoziarnistych zawierających dużą ilość cząstek mniejszych od 0,07 mm, 3. analizę pipetową , 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 się ze wzoru: mi Zi= �"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. wskaznik 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 ) , " polową ( kapilarną PPW) 3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał 3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Pełną pojemność wodną ma grunt, którego pory są całkowicie wypełnione wodą. Przez polową pojemność wodną określamy maksymalna ilość wody, która może być zatrzymana przez grunt po grawitacyjnym odsączeniu. 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 odsączania . Pojemność wodną podajemy w milimetrach słupa wody w określonej miąższości profilu glebowego, odpowiada ona stosunkowi objętości wody na jednostkę 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 = ŚPPW - ŚWTW 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 = ŚPPW - ŚWTW Ś[cm3 cm3] ŚWTW ŚPPW 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 odsączonej �= 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 Ą���ą (petra) na trzy podstawowe grupy - skała i ł�ŹĆ� (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 gromadzącego i przewodzącego wodę. 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 cechę np.: " pochodzenie, temperaturę, " skład chemiczny, " właściwości fizyczne ośrodka w którym się znajdują, " własności organoleptyczne (smak, zapach, barwa). Ze wzglę ędu na pochodzenie ę ę Ze wzglę ędu na pochodzenie ę ę (genezę ę) wody podziemne dzielimy ę ę (genezę ę) wody podziemne dzielimy ę ę na: na: 1 " Wody kondensacyjne -- wody powstające pod powierzchnią ziemi " Wody kondensacyjne wody powstające pod powierzchnią 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 są 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 ę ę ą ę ę ą 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 " strefę areacji ( napowietrzania ) " strefę 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 wsiąkowa PIONOWY ziarno mineralne otoczone wodą higroskopijną 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, ł ł 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 wsiąkowe 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 Środowiska Kierunek: Ochrona Środowiska Na podstawie podręcznika HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii , Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 WODY PODZIEMNE WODY PODZIEMNE HYDROGEOLOGIA HYDROGEOLOGIA OGÓLNA OGÓLNA