HYDROGEOCHEMIA Z HYDROGEOLOGIĄ

11.02.02

Właściwości hydrogeologiczne skał:

- istnienie w skale próżni np. pory, pęknięcia itp.

- przepuszczalność hydrologiczna skały= wodoprzepuszczalność;

oraz pochodne wymienionych wyżej:

- wodochłonność- zdolność do pochłaniania wody przez skałę;

- odsączalność- zdolność do oddawania przez nasyconą skałę wody wolnej pod wpływem sił grawitacji.

WARTOŚCI HYDROGEOLOGICZNE:

- wtórne

- pierwotne

Podział wód ze względu na ich wielkość i ruch wody:

- nadkapilarne- ∅>0,5 mm (działają siły grawitacji)

- kapilarne- 0,5 mm < ∅ < 0,00002 mm

- subkapilarne- ∅< 0,00002 mm

POROWATOŚĆ- określa się ją poprzez stosunki objętościowe.

Inne porowatości:

- miarolityczna;

- pęcherzykowata;

- gąbczasta.

Współczynnik porowatości to stosunek objętości wszystkich porów do objętości całej próbki.

n= (V-V_z)/V *100%= V_p/V *100%

V- objętość całej próbki

V_z- objętość porów

V_p- objętość ziaren

Podział ze względu na wielkość współczynnika porowatości:

n<1% skała niezwykle szczelna

1<n<5% porowatość mała

5<n<15% porowatość średnia

n>15% porowatość duża bądź bardzo duża (dla gleby ok. 45-65%, także żwiry i piaski)

Wskaźnik porowatości....

SZCZELINOWOŚĆ

Szczeliny powstają poprzez:

- rozerwanie- tzw. TENSYJNE

- ścinanie- tzw. KOMPRESYJNE

Ze względu na genezę szczeliny dzielą się na:

- SYNGENETYCZNE - np. synklazy (cios)

- TEKTONICZNE- diaklazy lub paraklazy

-WIETRZENIOWE- wietrzenie sięga ~20 m.

Podział szczelin ze względu na ruch wody:

- nadkapilarne- rozwarcie >0,25mm;

- kapilarne 0,25-0,00001 mm;

- subkapilarne <0,00001 mm.

Drożność hydrauliczna, czyli zdolność do przepuszczania wody, zależna jest od:

- gęstości szczelin;

- ich szerokości (rozwarcia);

- stopnia ich wypełnienia.

KLASA	SZEROKOŚĆ SZCZELIN [mm]	WSPÓŁCZYNNIK SZCZELINOWOŚCI[%]
niespękane	<0,25	<0,05
słabo spękane	0,25-2	0,05-2
silnie spękane	2-10	2-25
bardzo silnie spękane	>10	>25

DROŻNOŚĆ HYDRAULICZNA to zdolność skały do przewodzenia wody.

Q=F*V gdzie V- prędkość przemieszczania wody; F- powierzchnia przekroju.

Czynniki wpływające na przepuszczalność hydrauliczną utworów porowych:

- wielkość ziaren,

- równomierność uziarnienia;

- tekstura.

Czynniki dodatkowe:

- temperatura;

- lepkość wody.

WARSTWA WODONOŚNA-

- skały sypkie (piaski, żwiry)- woda może swobodnie przemieszczać się- można ją eksploatować;

- skały porowate, szczelinowe.

POROWATOŚĆ EFEKTYWNA jest zawsze mniejsza od porowatości całkowitej (o 10-40%), gdyż zawsze znajdziemy pory, które nie będą dostępne dla wody wolnej.

n_e= V_c/V gdzie V_c - objętość porów czynna w czasie przepływu wody; V- objętość skały.

WODOCHŁONNOŚĆ- zdolność skały do pochłaniania wody.

Rodzaje wodochłonności-

- higroskopijna;

- błonkowata;

- kapilarna;

- dotycząca wody wolnej.

Gdy W= 20-30% skała jest bardzo chłonna, gdy >30% bardzo silnie wodochłonna.

ODSĄCZALNOŚĆ zależy ona od wielkości porów, gdyż odsącza się wyłącznie woda wolna.

μ= V_o/V gdzie V_o- objętość wody odsączonej ze skały; V- objętość skały.

18.02

Rodzaj skały Współczynnik porowatości [%]

- gleba 45-60

Warstwa wodonośna:

A. O zwierciadle napiętym:

- cała warstwa wypełniona wodą pod ciśnieniem;

- zwierciadło piezometryczne wody;

B. O zwierciadle swobodnym:

- strefa aeracji- woda pod wpływem sił grawitacji spływa w dół;

- strefa saturacji- zmienna grubość, woda porusza się w poziomie;

- pomiędzy tymi dwoma strefami występuje zwierciadło wód podziemnych (jest to strefa o pewnej grubości)

- woda w studni jest na głębokości występującej w przyrodzie;

- zwierciadło nie jest stałe- zmienia się poziom występowania wód;

Poziom wody w studni:

- nawiercony

- swobodny

Gdy zwierciadło swobodne- oba są sobie równe; gdy zwierciadło napięte- nawiercone niżej powoduje, iż woda pod ciśnieniem podnosi się i ustala.

Gdy obniża się poziom wody w studni- tworzy się lej depresyjny (zmieniamy miąższość warstwy wodonośnej). Wysokość piezometryczna= wielkość ciśnienia.

HYDROIZOHIPSA- wysokość na jakiej występuje woda (zwierciadło swobodne), wysokość ciśnienia wody (zwierciadło napięte)

PRAWO FILTRACJI DARSE dotyczy ruchu laminarnego, tak naprawdę woda nie przemieszcza się przez cały przekrój (mogą tam występować ziarna skalne).

Q= F*V gdzie V- to teoretyczna prędkość infiltracji.

F _{POWIERZCHNIA PRZEKROJU}

V_WODY

POROWATOŚĆ EFEKTYWNA

n_e= V_PORÓW/V_{CAŁEJ SKAŁY} lub n_e= F_P/F

gdzie: F_P- powierzchnia pustej przestrzeni (dostępny dla wody); F- powierzchnia całego przekroju.

WSPÓŁCZYNNIK FILTRACJI

Cecha przypisywana konkretnemu gruntowi i konkretnej cieczy przemieszczającej się w nim. Dotyczy wody dość nisko zmineralizowanej w temp. 10- kilkunastu ⁰C.

Każda ciecz porusza się trochę inaczej (inna gęstość i lepkość)-

V= K*J

gdzie:

V- prędkość filtracji

K- współczynnik ... (u Miśoli w notatkach „jakiś”)

J- spadek hydrauliczny

Q= F* K (Δh/l) - inny zapis prawa Darse

Ruch cząsteczek wody:

- laminarny- cząsteczki poruszają się równolegle do siebie (mogą poruszać się z inną prędkością)

- turbulentny- gdy zbyt duża prędkość cząsteczki poruszają się nierównolegle

Rozkład V w porze.

V

Przeważnie dla wód podziemnych występuje ruch laminarny (tylko czasami przechodzi w turbulentny).

Rzeczywista prędkość przepływu wody- U (jest większa od V filtracji)

U = V / n_e

gdzie:

V- prędkość filtracji

n_e- porowatość efektywna

Współczynnik filtracji [m/s] lub [m/dobę]

- charakterystyka przepuszczalności - współczynnik filtracji

bardzo dobra >10^-3 m/s

dobra 10^-2-10^-4 m/s

średnia

słaba

Przewodność hydrauliczna:

T= K*m

K- współczynnik filtracji

m- miąższość warstwy wodonośnej

25.02.2003

CHARAKTER PRZEPUZCZALNOŚCI	WSPÓŁCZYNNIK FILTRACJI
BARDZO DOBRA- żwiry, rumosz, równoziarniste piaski	>10 ^-2
DOBRA- piaski	10^-2 - 10^-4
SŁABA- piaski pylaste, piaski gliniaste	10^-4 - 10^-6

Spadek hydrauliczny-.....

1⇒ spadek 1m na odcinku 1m.

Przy wzroście spadku hydraulicznego następuje często zmiana ruchu laminarnego na turbulentny. Przy ruchu turbulentnym:

V= k*√I gdzie k- współczynnik fluacji (prawo Darsy odnosi się tylko do ruchu laminarnego).

Przy przejściach w ruchu:

V=k*J^1/n gdzie n∈(1,2) dla ruchu mieszanego n=1,5

Przy spadkach krytycznych zaczyna dominować ruch turbulentny, który wywołuje:

- wymywanie cząstek glebowych ze szkieletu;

- gwałtowne zjawiska erodowania.

Wyznaczając zatem warunki sczerpywania wody w studni należy pamiętać o zachowaniu warunków ruchu laminarnego.

Wielkość porów kapilarnych zależy zarówno od skały, jak i od cech fizykochemicznych wody.

WSPÓŁCZYNNIK PRZEPUSZCZALNOŚCI (wyrażany w jednostkach Darsy)ma on charakteryzować wyłącznie skałę! Używamy go wówczas gdy w skale przemieszcza się inna ciecz niż woda (np. woda ze ściekami).

Warstwa wodonośna jest warstwą IZOTROPOWĄ (teoretycznie)⇔ jest ona jednorodna w przestrzeni i każdym kierunku. Współczynnik filtracji jest identyczny dla każdego kierunku wody.

Warstwa wodonośna jest warstwą ANIZOTROPOWĄ (niejednorodną)⇔ jest ona niejednorodna w każdym kierunku. Współczynniki filtracji nie są identyczne dla każdej przestrzeni i kierunku ruchu wody.

Warstwy wodonośne są anizotropowe, gdyż różnią się nawet wielkością ziaren w obrębie tej samej warstwy (tego samego typu osadu). Warstwy szczelinowe są szczególnie anizotropowe- woda migruje bez problemu jedynie w jednym kierunku, w przeciwnym natomiast bardzo kiepsko.

Izotropowość warstw przyjmowana jest w badaniach, na podstawie kilku odwiertów (jest to tworzenie teoretycznych, uśrednionych modeli).

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA FILTRACJI:

1.Granulometria gruntów- określenie wielkości ziaren budujących dany grunt. Wykreśla się krzywą granulometryczną (na podstawie badań gruntów za pomocą zestawu sit).

n- średnica ziarna

Na podstawie krzywych granulometrycznych możemy zatem wyznaczyć współczynniki filtracji odnośnie danego punktu.

2. Przepuszczanie próbki wody przez wycinek terenu i obserwacja tempa filtracji.

3. Badania polowe- wykonywanie na podstawie studni. Możemy jednak badać tylko parametry uśrednione, dotyczące strefy zasilania studni.

4.03.2003

ZASILANIE WÓD PODZIEMNYCH:

1. Infiltracja- opad efektywny- ta część opadu, która dociera do pierwszego zwierciadła wód podziemnych. Zależy ona od:

- wielkości i rozkładu opadu;

- wielkości parowania;

- przepuszczalności skał i gruntów;

- urzeźbienia terenu;

- temperatury powietrza, niedosytu wilgoci;

- pokrycia terenu;

- nasycenia wodą środowiska skalnego (retencja gruntowa);

- przemarzania gruntu;

- działalności człowieka

Średnio w Polsce ok. 18%.

RÓWNANIE PENCKA- OPPOKOWA

P = H + S + ΔR

gdzie:

P- opad

H- odpływ

S- straty

ΔR- różnice retencji

2. Źródło w postaci przepływu z innych poziomów wodonośnych.

PAROWANIE RZECZYWISTE- max. ilość wody, która może odparować w danych warunkach klimatycznych.

PAROWANIE POTENCJALNE- ilość wody, która w danych warunkach klimatycznych może odparować z danego terenu.

ZASOBY WÓD PODZIEMNYCH- ilość wód podziemnych (jako surowce) wyrażona w jednostce objętości na jednostkę czasu, zawarta w zbiorniku wód podziemnych, zlewni wód podziemnych lub innej jednostce hydrologicznej. O wielkości zasobów decydują charakter i rozmiary zbiornika, położenie względem innych jednostek, parametry hydrogeologiczne utworów wodonośnych oraz warunków zasilania.

STATYCZNE- .....

STAŁE- wielkość zasobów, która występuje w jednostce czasu przy najniższym w wieloleciu stanie zwierciadła wód podziemnych.

ZMIENNE- część zasobów statycznych lub odnawialnych między najniższym a najwyższym w wieloleciu stanem wód podziemnych.

ODNAWIALNE (dynamiczne)- ta ilość wody, która zasila daną jednostkę bilansową (np. zlewnia itp.); wyrażamy w m³ lub m³/rok*km². Określane jako:

- średnie- określane z wielolecia;

- minimalne= gwarantowane- ta ilość wody, która minimalnie zasili daną jednostkę w ciągu roku.

DYSPOZYCYJNE- woda, która może zostać wykorzystana gospodarczo z uwzględnieniem ochrony środowiska [w m³/ rok lub m³/rok*km²]

EKSPLOATACYJNE- ile w danym punkcie możemy pompować wodę w danych warunkach hydrologicznych i przy konkretnej budowie studni; określają możliwości eksploatacyjne wody z ujęcia

[m³/ rok przy określonej depresji] ustala się je jednocześnie z określeniem obszaru zasobowego przy uwzględnieniu zasobów dyspozycyjnych zbiornika, zlewni lub jednostki hydrologicznej.

ODPŁYW NIENARUSZALNY- ilość wody, która musi płynąć rzeką, aby zachować jej istnienie (życie!)

Konieczne jest zatem racjonalne wykorzystanie wody. Zadaniem gospodarki wodą jest taki rozdział zasobów dyspozycyjnych na poszczególne ujęcia, aby zachować stosunkowo chwiejną równowagę.

KLASA	WARUNKI INFILTRACJI	WSKAŻNIK INFILTRACJI	RODZAJ UTWORÓW
I	bardzo dobre	0,30	żwiry i piaski wolnolodowcowe, sandrowe, wydmowe, rzeczne
II	dobre	0,25
III	średnie	0,20
IV	złe	0,05	iły, muły, margle?, bruk morenowy?

METODY WYZNACZANIA ZASOBÓW WÓD PODZIEMNYCH

1. Zasoby statyczne Q_s= F*h*μ

Q_s- przepływ

μ- współczynnik odsączalności

F- powierzchnia zbiornika

h- miąższość zbiornika

2. Zasoby dynamiczne:

- metoda infiltracyjna (infiltracja efektywna, wskaźnik infiltracji efektywnej);

- metoda hydrodynamiczna;

- metoda wahań zwierciadła wód podziemnych

Q_d=F*μ*Δh

gdzie:

Δh- średnia amplituda wahań zwierciadła wód podziemnych

μ- współczynnik odsączalności

- metoda regresji zwierciadła w okresie bez opadowym Q_d=F*μ*Δh/t₀;

- metody bilansowe;

- metody hydrologiczne.

11 03 2003

PRZESĄCZANIE- pionowy ruch wody przez strefę aeracji. Istenieje wiele sposobów oceny czasu przesączania, jednak nigdy nie da się tego dokładnie obliczyć.

Jedna z metod:

_n

t_o= Σ m_ni*w_ni/J_E

ⁱ

t_o- czas przesączania pionowego

m_ni- miąższość kolejnych przewarstwień w strefie aeracji

w_ni- przeciętna wilgotność objętościowa kolejnych przewarstwień strefy aeracji

J_E- infiltrachja efektywna roczna J_g=P*W

P- wysokość opadu

W- wskaźnik infiltracji efektywnej

i- numer kolejnego przewarstwienia

n- liczba przewarstwień

Wilgotność- ile objętości skały zajmuje woda.

Przepływ zależy od wilgotności gruntu, dotyczy tylko tych przestrzeni, w których woda rzeczywiście się znajduje.

Inne wzory empiryczne- Bindermanna.

t_o=(m_on_o)/[√(J_E)²*K']

m- miąższoć\ść strefy aeracji

n_o- porowatość efektywna

J_E- infiltrachja efektywna roczna

K'- współczynnik pionowej filtracji strefy aeracji.

Inna metoda terenowa- badanie wielkości opadów oraz czasu po jaki podniesie się zwierciadło wody podziemnej.

PRZESIĄKANIE- pionowy ruch wody, w strefie saturacji. Przesiąkanie między poziomowe jest wywołane różnicą ciśnień (jest to pionowy przepływ wody przez osady słabo przepuszczalne).

Współczynnik przesączania- przepływ między utworami wodonośnymi przez utwory słabo przepuszczalne.

Ujęcia wód podziemnych.

Zespół urządzeń służących do poboru wód podziemnych z jednego lub wielu punktów, zaopatrujących określonych użytkowników lub określone cele.

Podstawowym elementem jest wyrobisko służące do udostępniania wód podziemnych.

TYPY UJĘĆ:

- studnie;

- źródła;

- sztolnie- np. dla Zakopanego;

- dreny;

- stawy infiltracyjne.

TYPY STUDNI:

- kopane;

- wbijane, wkręcone (tzw. abisynki);

- wiercone:

* płytkie- do 30 m;

* głębokie- do kilku tys. metrów.

- filtrowe i bezfiltrowe- ze względu na położenie i wymiary studni względem warstwy.

Filtr- dopływ wody nie może być zakłócony. Przy zwierciadle swobodnym trzeba wymusić dopływ wody i wówczas wytwarza się lej depresji- obniżenie zw. wody.

Depresja- obniżenie zwierciadła wody w studni lub w dowolnym miejscu leja depresji.

W warstwie jednorodnej lej teoretycznie ma nieskończony zasięg, ale praktycznie obszar, w którym można zarejestrować obniżenie zwierciadła wywołane poborem wody, jest ograniczony.

Zwierciadło statyczne- mimo, że naturalne także podlega pewnym zmianom.

Zwierciadło dynamiczne- powstaje w trakcie eksploatacji studni, duże zakresy wahań.

Zwykle lej depresji R można opisać izoliniami; jeśli mamy warstwy jednorodne wówczas lej zaznaczamy współśrodkowymi okręgami, gdyż woda napływa ze wszystkich stron równomiernie.

Zwierciadło piezometryczne statyczne i dynamiczne- w warstwach o zwierciadle napiętym.

Zwierciadło napięte- zmienia się tylko ciśnienie, dopływ wody wymuszony jest różnicą ciśnień, przepływ następuje w celu utrzymania tej samej miąższości.

Zwierciadło swobodne- zmienia się miąższość dopływu w zależności od leja depresji, linie prądu zagęszczają się w pobliżu studni.

Warstwa wodonośna niejednorodna- zmienia się lej depresji, bardziej w kształcie elipsy lub bardziej skomplikowany.

SPOSÓB UMIESZCZANIA FILTRA W WARSTWIE WODONOŚNEJ

- filtr zupełny- obejmuje całą warstwę wodonośną;

- filtr niezupełny- tylko część warstwy wodonośnej:

* zawieszone- w przestrzeni warstwy wodonośnej;

* dogłębione- dochodzi do spągu warstwy wodonośnej.

Zwierciadło napięte i filtr zupełny- dopływ sferyczno/półsferycznoradialny- linie prądu zagęszczają się w pobliżu filtra. Filtr zawieszony- dopływ sferycznoradialny.

Zwierciadło napięte- depresja zejdzie poniżej spągu warstwy napinającej- dopływ mieszany, przy filtrze- dopływ sferycznoradialny, dalej- płaskoradialny.

Przy dwóch lub więcej współpracujących studni nakładają się leje depresyjne. Wspólny obszar zdepresjonowany zależy od ilości studni wykorzystanych przy odwodnieniach.

Gdy zwiększymy zaopatrzenie w wodę możemy spowodować spadek wydajności, co jest bardzo niekorzystne, gdyż powstają większe depresje.

18 03 2003

PROJEKT I WYKONANIE STUDNI

Studnie należy zaprojektować tak, aby:

- w danych warunkach geologicznych osiągnąć możliwe długą żywotność;

- w czasie eksploatacji nie znajdował się w wodzie piasek ponad dopuszczalną ilość;

- uniemożliwiony był dopływ z innej warstwy wodonośnej niż ujmowanej filtrem;

- była możliwość przeprowadzenia pomiarów położenia zwierciadła wody oraz pobierania próbek wody do analizy fizyko-chemicznej i bakteriologicznej.

Lokalizując studnie powinno się uwzględniać:

- prawo własności;

- techniczne możliwości wykonania studni;

- możliwości odprowadzenia wody itp.

ELEMENTY STUDNI:

- filtr- długość od 1 m do kilkudziesięciu m; obejmuje część lub całą warstwę wodonośną, może być on jedno- lub wieloodcinkowy; pod nim powinna znajdować się rura podfiltrowa;

- rura podfiltrowa- długości od 0,5 m do kilku metrów; zamknięta od dołu, pozwala na sedymentację najdrobniejszych frakcji, które przeszły przez filtr;

- pompa- powinna znajdować się ponad filtrem; powinna vyć zaopatrzona w wyłącznik bezpieczeństwa, który reagowałby zatrzymaniem pompy w momencie zbyt dużej presji;

- głowica studni- izoluje studnie przed wodami powierzchniowymi (np. powodzią); powinna być szczelna, ale z drugiej strony powinna pozwalać na okresowe badania wody;

- wodomierz- obecnie każda studnia powinna posiadać wodomierz;

- obudowa studni- np. schrony, kręgi itp.; chroni studnie m.in. przed przemarzaniem.

W studni powinna istnieć także możliwość wyciągnięcia pompy głębinowej. Głębokość studni powinna być dostosowana zarówno do warunków hydrogeologicznych, jak i potrzeb ludności.

Kryteria wyboru warstwy wodonośnej:

- jakościowe- woda powinna nadawać się do picia po co najwyżej prostym uzdatnieniu (odżelazienie, odmanganianie), a warstwa wodonośna powinna być mało podatna na możliwości skażenia bądź trwałych zmian składu chemicznego;

- zasobowe- określenie, na ile wybrana warstwa jest w stanie zapewnić nam wymaganą ilość wody;

- ekonomiczne- im płytszy otwór tym będzie on tańszy.

Zazwyczaj średnica otworu wynosi 20 cali (i jest to górna granica dla użycia standardowego sprzętu).

Max. wydajność studni:

Q = F*V_DOP [L3/T]

F- czynna powierzchnia filtra (max. powierzchnia filtra jest nam narzucona)

F= π*d*l [l- długość filtra; d- średnica filtra z obsypką]

V_DOP- dopuszczalna prędkość wlotowa wody na filtrze w m/h (! nie możemy pozwolić, aby woda dostawała się do studni ruchem turbulentnym gdyż nastąpi m.in. - nastąpi wymycie najdrobniejszych frakcji; - zatkany zostanie filtr; - woda z piaskiem zostanie poprowadzona przez filtr do wodociągu).

V_DOP = V_KRYTYCZNA - PRĘDKOŚĆ NA GRANICY RUCHU TURBULENTNEGO I LAMINARNEGO.

Określa się ją na podstawie wzorów empirycznych:

- wzór Abramowa: V_DOP = 65 ³√k, gdzie k- współczynnik filtracji podawany w m/24h.

- wzór Sicharda: V_DOP =√k/ 15, dla studni planowanych do czasowej eksploatacji.

Max. powierzchnia leja depresji- max. odległość, w której nastąpi obniżenie zwierciadła wód na skutek eksploatacji studni.

- dla warstwy o zwierciadle napiętym R= 300*s*√k, gdzie s- zasięg leja depresji;

- dla warstwy o zwierciadle swobodnym R= 5755√k *H, gdzie H- wysokość zwierciadła wody nad podstawą warstwy wodonośnej.

!!! Nie możemy wykonać depresji, która odsłoniła by pompę! Nie powinniśmy wykonywać depresji większej niż H/2. Odległość pompy od krawędzi filtra powinna wynosić od 2 m wzwyż. Zatem depresja nie powinna być większa niż 9m nad krawędź filtra.

Prędkość przepływu wody przez szczeliny filtra nie powinna przekraczać 0,03 m/s.

25 03 2003

Gdy długość filtra przekracza możliwości warstwy wodonośnej:

- wykonać więcej studni w jednej warstwie- wymaga dużej przestrzeni, aby leje depresji się nie nachodziły;

- ujęcie innej warstwy wodonośnej, zwykle głębszej;

- skorygować wielkość zapotrzebowania- wymusić oszczędzenie wody, budowa ujęcia w innym miejscu;

- zbiornik wyrównawczy- pobór nierównomierny- w okresach małego zapotrzebowania woda będzie go zapełniać; powinno starczyć wody na kilka godzin- w tym zbiorniku.

Materiał do budowy studni:

- dla ludności- powinny mieć atesty, że materiał ten dopuszczony jest do kontaktu z żywnością;

- zabezpieczenia przed korozją- bo inaczej po kilku latach nie będzie się ona nadawać do użytku, zatem coraz częściej używa się tworzyw sztucznych.

- powinny być wytrzymałe, samo wiercenie i posadowienie rur i filtru wywołuje bardzo duże naprężenia (w głębokich studniach ciśnienie górotworu może zgnieść rurę);

- łączenie poszczególnych elementów powinny być szczelne- rury zbudowane z wielu segmentów są wytrzymalsze; woda z płytszych poziomów wodonośnych nie może się przedostawać wgłąb.

Filtry to element decydujący. Rodzaje filtrów:

- filtry szkieletowe- z prętów, rura z otworami; rura skręcana z eklementów pomiędzy którymi występują wolne przestrzenie;

- filtry siatkowe- filtry szkieletowy, na który nawinięta jest siatka metalowo-nylonowa; wielkość oczek dobrano odpowiednio do granulacji warstwy wodonośnej- ma zatrzymywać materiał.

Filtry mogą być z obsypką lub nie posiadać jej.

Wykonując studnię wiercimy świdrem w trakcie opuszczania rury osłonowej, aż do spągu warstwy wodonośnej. Następnie do niej opuszcza się filtr i umieszcza się go nieznacznie powyżej warstwy wodonośnej. Należy odsłonić filtr zatem rurę podciąga się ku górze. Przed podciągnięciem możemy wysypać granulat pomiędzy rurę a filtr.

Obsypka - poprawia warunki wodonośne; dodatkowo zatrzymuje wymywane i wnoszone do studni drobne frakcje. Zmniejsza dodatkowo opory przepływu z warstwy wodonośnej.

Rura nadfiltrowa- może być wyprowadzona na powierzchnię.

Filtr może mieć tzw. zamek- jest opuszczony i umieszczony tak że rury osłonowe są podciągane do brzegów- tam umieszczona jest uszczelka (iłowa lub cementowa), aby woda nie przedostawała się w głąb. Zaletą takiego rozwiązania jest większa średnica dla pompy.

Uszczelnienie warstw wodonośnych- nie można dopuścić do połączenia z zanieczyszczonymi wodami wzdłuż kolumny rur z wodami czystymi. Przy przejściu dwóch warstw musimy wwiercić się w warstwę nieprzepuszczalną, na jej dno sypiemy uszczelkę iłową lub cement (2-3 m), a potem wwiercamy się w następną warstwę wodonośną, ale z mniejszą średnicą. Przestrzeń pomiędzy dwiema średnicami wypełniamy uszczelką. Różnica pomiędzy średnicami to zazwyczaj 2 cale, można zatem takwiercić przez kilka warstw wodonośnych.

Studnia bezfiltrowa wykonywana jest zazwyczaj w skałach litych, o ile nie są zbyt silnie spękane. Najpierw wywiercamy się z rurami osłonowymi, a następnie umieszczamy w nich pompy. Zamiast filtra często stosowany jest żwir- do utworzonej kawerny w warstwie wodonośnej wtłacza się żwir wcześniej usuwając piasek.

Pompowanie:

- oczyszczające- wypłukanie wszystkiego z okolic filtra, poprawienie warunków przepływu wody; zwykle z wydajnością 20% większą niż planowane, prowadzone do momentu, aż w wodzie nie będzi piasku <0,5 g/m³ wody;

- próbne (badawcze)- by określić parametry hydrogeologiczne warstwy wodonośnej, określić zasięg leja depresji, określić zasoby eksploatacyjne studni i tzw. obszar zasobowy;

- badawcze- przy ruchu ustalonym lub nie, musimy obserwować wydajność i zachowanie zwierciadła wody- należy mierzyć jego wydajność co 0,5 min (potem częstotliwość może być mniejsza).

01 04 2003

Przy bardzo grubym materiale, rumoszu stosuje się filtry prętowe lub otwory bezfiltrowe jeśli najmniejsze ziarno dochodzi do kilku cm.

Drobniejsze frakcje- filtry specjalne.

Przy pospółkach i żwirach- filtry otworowe owinięte spiralnie drutem lub pokryte blachą z wyżłobionymi otworkami.

Piaski- filtry owinięte siatka (obecnie stosowane są siatki stylonowe, dawniej miedziane), której gęstość splotu dostosowana jest do uziarnienia warstwy wodonośnej.

Piaski grube- studnie bez obsypki, gdyż wytwarza się naturalna obsypka.

Piaski średnie i drobne- niezbędna w tym przypadku jest obsypka, poprawia warunki przepływu wody wokół filtra.

Badania:

- pompowania badawcze;

- pompowania oczyszczające.

W ruchu ustalonym- ciśnienie, V przepływu, położenie zwierciadła wody nie zmieniają się, równowaga między dopływem a poborem. Funkcja opisująca stan zwierciadła wody w czasie jest pochodną po czasie = 0.

W ruchu nieustalonym⇔ którykolwiek z tych parametrów zmienia się w czasie, funkcja opisująca stan zwierciadła wody w czasie jest pochodną po czasie ≠ 0.

Wyrównanie (?)- zmiany w czasie zwierciadła wody- punkt w przestrzeni zależny od współczynnika filtracji w trzech kierunkach, od jednostkowej wydajności studni i wielkości współczynnika pojemności wodnej.

Jeśli jej pochodna = 0 wówczas mamy do czynienia z ruchem ustalonym.

- dla nieograniczonej, jednorodnej warstwy wodonośnej, ruch laminarny, filtracja zgodna z prawem Darcy, woda jest nieściśliwa i w warstwie wodonośnej nie ma przepływu pionowego.

Metody badania i prowadzenia pompowań badawczych dobiera się w zależności m.in. od utworów.

Pompowania w ruchu ustalonym prowadzi się do momentu aż stwierdzimy, że depresja w otworze nie zmienia się (ustali się zwierciadło wody). Zaraz po uruchomieniu pompy poziom szybko obniży się, co doprowadzi do powstania podciśnienia- woda zacznie dopływać na początku powoli, natomiast różnica ciśnień zacznie rosnąc i doprowadza do coraz szybszego przepływu. W końcu ustala się równowaga.

Czas konieczny- od uruchomienia pompy do ustalenia się stanu równowagi- od kilku min. do kilku dni (dłużej gdy mamy mały współczynnik filtracji.

Wadą jest niestety długi czas pompowania. Powinny być testowane trzy różne wydajności od wydajności planowanej:

1. 1/3 przeiwdywanej wydajności;

2. 2/3 przewidywanej wydajności;

3. W końcu cała, pełna wydajność.

Po ustaleniu się zwierciadła należy kontynuować przez 24h pompowanie i obserwować czy nie zachodzą zmiany. W kolejnym etapie także należy czekać na ustalenie zwierciadła (może być więcej takich cykli).

Zaletą takiego rozwiązania jest bardzo prosty opis matematyczny stosowany do wyznaczania współczynnika filtracji. Kilka stopni pompowania jest konieczne gdyż nie wiadomo co się będzie działo w warstwie wodonośnej, czy np. w zależności od zasięgu leja depresji będzie podobny współczynnik filtracji. Jeśli są jakieś różnice wówczas możemy mieć podejrzenie o np. złe wykonanie studni, złe pompowanie oczyszczające, zakłócenia przepływu ruchu laminarnego (przy wyższych wydajnościach może przejść w ruch turbulentny.

Możemy także określić sprawność studni- wielostopniowy ruch ustalony; często w studniach starych mamy wątpliwości czy funkcjonuje.

Pompowania w ruchu nieustalonym- tylko przez pierwszy okres czasu, gdy zmienia się położenie zwierciadła wody w studni i poza nią, zmieniają się warunki przepływu. Trwają zazwyczaj krótko - kilka godzin.

Określenie parametrów hydrogeologicznych: współczynnik odsączalności sprężystej, grawitacyjnej, sposóbu zasilania warstwy wodonośnej (czy jest izolowana, czy następuje przesączanie z innych poziomów lub z wód powierzchniowych).

Nie wymaga zatem pompy pozwalającej na kilka stopni wydajności.

WADA- znaczne trudniejsza interpretacja wyników; można zmierzyć tylko zmianę zwierciadła wody (często możliwe nawet z dużą dokładnością) i wydajność studni. Co 1 min, 2 min, potem co 5 min.

08 04 2003

POMPOWANIA PRZY RUCHU NIEUSTALONYM

- następują zmiany ciśnienia hydraulicznego, zasięg leja depresji i jego położenie.

Włączamy pompę, która wywołuje zmianę ciśnienia co w efekcie wymusza dalej dopływ wody do studni. Zatem mamy coraz silniejsze oddziaływanie studni na sąsiedztwo.

Gdyby warstwa była jednorodna ruch zawsze byłby nieustalony, bo następuje nieskończone rozszerzanie się leja i dopływ z coraz dalszych miejsc. W rzeczywistości istnieją opory (ratują zatem sytuację).

SCHEMATY WARUNKUJĄCE DOPŁYW:

- w wodonoścu o zwierciadle napiętym- warstwy powyżej i poniżej są nieprzepuszczalne; 3-4 rzędy wielkości mniejszy współczynnik filtracji wody z danej warstwy wodonośnej. Woda taka z tzw. zasobów sprężystych uwalnia się na skutek obniżenia ciśnienia. Cała warstwa wodonośna wypełniona jest wodą. Jeśli warstwa wodonośna nie jest zasilana, to jeśli sczerpiemy całą wodę, lej będzie rozszerzał się aż natrafi na strefę zasilania.

- w wodonoścu o zwierciadle niezupełnie napiętym [warstwa wodonośna zasilana przez przesączanie]- warstwa poniżej lub/i poniżej wodonośca nie jest całkowicie nieprzepuszczalna; współczynnik filtracji 2-3 rzędy wielkości mniejszy niż pompowanej warstwy wodonośnej. Np. gliny zwałowe, iły piaszczyste. Przyjmujemy, że w pierwszym etapie rozwoju leja- uwalniane są wody tylko z zasobów sprężystych. Gdy zaczyna występować różnica ciśnień pomiędzy warstwami wówczas następuje przesączanie przez warstwy pół/słaboprzepuszczalne. Warstwa półprzepuszczalna nie ma pojemności wodnej. Całkowity brak przepływu poziomego w warstwie wodonośnej= dopływ płaskoradialny. Lej depresji rozwija się do momentu aż osiągnie strefę zasilania, lub jego powierzchnia i różnica ciśnień między warstwami wystarczy, aby przesączanie zaspokoiło nasze potrzeby.

- w wodonoścu o zwierciadle niezupełnie napiętym [w wodonoścu woda pochodzi z odsączania grawitacyjnego]- warstwa izolująca od góry- współczynnik filtracji 1-2 rzędy mniejszy. Dopływ wody znacznie szybszy i większy. Założenia- w warstwie wodonośnej występuje przepływ płaskoradialny, w warstwie izolującej przepływ tylko pionowy, choć zakładamy pewną pojemność wodną. Gdy rozwija się lej depresji następuje dopływ wód sprężystych, przesączanie przez warstwę izolującą, dopływ (nie może zaniknąć) pochodzi m.in. z grawitacyjnego odsączania całej objętości leja depresji (dodatkowe źródło zasilania studni).

- wodonoścu o zwierciadle swobodnym- dopływ sferycznoradialny, półsferycznoradialny; woda ze sprężystego i grawitacyjnego odsączania warstwy (wszystkie warstwy traktujemy jak jednorodne), nie interesują nas warstwy z których pochodzi woda. Każda warstwa składa się z kilku mniejszych podjednostek. Rzadko warstwy bywają nieograniczone.

OBSERWACJE ZMIAN POŁOŻENIA ZWIRCIADŁA WODY:

Zwierciadło napięte- na podstawie ogólnego równania przepływu wody; obniżenie następuje natychmiast, pomijany jest mały promień studni (pominięcie objętości wody w studni w chwili początkowej t=0 pompowania piezometrycznego) .

Zwierciadło statyczne leży poziomo H= constans. W odległości od studni dążącej do nieskończoności wysokość zwierciadła obniżona przez nas. Warstwa wodonośna rozciąga się w nieskończoność, a zasięg studni jest nieograniczony.

Rozwiązanie tego równania - FUNKCJA THIESA.

Metoda graficzna- porównanie obserwowanych zmian depresji z krzywą Thiesa.

Parametry konieczne do rozwiązania funkcji: opis warstwy lub jej geometrii- przewodność warstwy, miąższość warstwy, współczynnik filtracji.

To możemy z funkcji tej wyznaczyć:

Ns- współczynnik odsączalności sprężystej

X- odległość, w której mierzyliśmy zmiany zwierciadła wody od studni (trzeba mierzyć piezometrami)

t- czas pomiarów

Funkcja ta określa depresję S zmieniającą się w czasie i zależną od odległości, w której ją mierzymy.

Porównanie krzywej charakterystycznej i wykresu doświadczalnego polega na nałożeniu na siebie wykresów i znalezieniu punktu orbitalnego, dowolnego (tak żeby było łatwo liczyć).

15 04 2003

Chcąc opisać depresję w studni (piezometrze w odległości X od studni) musimy porównać wyniki pomiarów z funkcją charakterystyczną. Należy też wziąć pod uwagę przesączanie z innych warstw wodonośnych.

Funkcja charakterystyczne studni: S=(Q/4πT) * W(c)

Dopływ wody do studni zależy od Ns i T.

Depresja w dowolnym punkcie wewnątrz leja zależy od Ns, T, czasu, odległości X od studni. Znając wyniki pomiarów i funkcje charakterystyczną można wyznaczyć te parametry.

Wyznaczamy dowolny punkt orbitalny i odczytujemy współrzędne w obydwu układach- zatem mamy deprwesję, czas, W(u), 1/u (??????)

T= k*m

k- można wyznaczyć

m- miąższość warstwy

W wodonoścu zasilanym z przesączania dodatkowo oznaczamy następujące parametry- przesączanie przez warstwy półprzepuszczalne. Otrzymujemy zatem całą rodzinę krzywych- zaleznych od W(u i od B- współczynnika przesączania.

Współczynnik przesączania- ilość wody docierająca do studni w trakcie przesączania przez warstwy wodonośne.

Potem wybieramy taką krzywą, żeby wyniki były najlepiej dopasowane i odczytujemy współczynnik B.... reszta tak sam jak poprzednie.

B= (√Tm/k)

W warstwach o zwierciadle niezupełnie swobodnym następuje grawitacyjne odsączanie leja depresji. Zatem wzrost depresji spada. Na krzywej zaznaczy się zmniejszenie depresji gdyż dochodzi dopływ wody z odsączania grawitacyjnego leja depresji. W takiej warstwie wodonośnej mamy dopływ płaskoradialny. Współczynnik filtracji jest 1 rząd mniejszy niż w warstwie wodonośnej.

W warstwie wodonośnej o zwierciadle swobodnym mamy także ograniczony nomogram (????)- należy zatem nałożyć dwukrotnie krzywą. Najpierw wyznaczamy Ns i T, a później przemieszczamy wykres i wyznaczamy drugi punt orbitalny= wyznaczamy współczynnik odsączalności grawitacyjnej.

29 04 2003

Metody wyznaczania współczynnika filtracji i przewodności gruntów (parametru wodonośca):

- wielostopniowe próbne pompowania- wykonywane na różnych stopniach wydajności; możemy dość dobrze wyznaczyć przewodność warstwy wodonośnej oraz współczynnik filtracji;

- zalewanie studni- obserwujemy w jakim tempie opada woda;

- flow-pump- uszczelniamy rurę i we fragmencie uszczelnionym badamy sztucznie wytworzone ciśnienie (całościowo lub sekwencyjnie).

Efekt przyścienny studni( zeskok studni)- powstaje w strefie najbliższej ścianie studni.

W miarę wzrostu wydajności wzrasta i rozszerza się strefa oporu w strefie przyfiltrowej.

Zależność liniowa pomiędzy depresją a wydajnością pompowania Q- w pierwszych momentach. Wówczas zależą one głównie od własności wodonośca.

SCHEMAT oporów hydraulicznych Jacoba- promień strefy oporów jest stały.

S = BQ+ CQ²

S- wielkość depresji

B- wsółczynnik oporu warstwy wodonośnej

C- spółczynnik przepływu strefy przyfiltrowej

SCHEMAT oporów hydraulicznych- promień strefy oporów jest zmienny.

S = BQ+ CQⁿ

n= <1;3>

Współczynnik sprawności studni:

η= BQ/S

- jeśli jest większy od 95% wówczas możemy powiedzieć, że studnia jest wykonana prawidłowo

Depresja w warstwie wodonośnej= depresji w studni ⇔ η=1.

Aby poprawić warunki przepływu w strefie przyfiltrowej należy najpierw zbadać η- jeśli jest ono mniejsze niż 95% możemy zacząć się zastanawiać nad podjęciem działań.

TYPY PRZEPŁYWU ÓD W SKAŁACH SZCZELINOWYCH:

1. Wymuszona filtracja na obszarze większym niż odległość tych szczeln; rozpatrujemy jak dla ośrodka jednorodnego.

2. Liczne szczeliny (rzadka sieć), sieć dużych szczelin jest stosunkowo gęsta, często taka skała ma podwójną szczelinowość.

3. Skały szczelinowo- porowe- po osuszeniu cz. porowej (stosunkowo stały przepływ) przepływ staje się stosunkowo nierównomierny.

---