MAPA ZWIERCIADŁA WODY

Projekt nr 1
Punktacja
Podpis

1. Wstęp teoretyczny

Zwierciadło wody podziemnej jest definiowane jako powierzchnia ograniczająca od góry strefę saturacji warstwy wodonośnej (Wacławski M., Geologia inżynierska i hydrogeologia. Część II. Hydrogeologia). W zależności
od charakteru i układu hydraulicznego warstwy wodonośnej rozróżniamy trzy rodzaje zwierciadeł:

• zwierciadło swobodne,

• zwierciadło napięte,

• zwierciadło piezometryczne.

Zwierciadło swobodne to zwierciadło na którego powierzchni panuje ciśnienie atmosferyczne. Zwierciadło swobodne stanowi powierzchnię rozgraniczającą strefę saturacji od strefy aeracji, lub strefę saturacji od podstrefy wzniosu kapilarnego (w przypadku występowania podstrefy wzniosu kapilarnego
w strefie aeracji). Zwierciadło to, zależnie od warunków zasilania i drenażu warstwy wodonośnej może zmieniać swoje położenie w pionie. Zwierciadło swobodne jest charakterystyczne dla wód zaskórnych i gruntowych.

Zwierciadło napięte pozostaje pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia atmosferycznego. Występuje na granicy warstwy wodonośnej całkowicie nawodnionej i nadkładu nieprzepuszczalnego, lub związane jest
z wodami podziemnymi występującymi w systemach szczelin lub próżni krasowych. W pierwszym przypadku zwierciadło takie przyjmuje kształt powierzchni stropowej warstwy wodonośnej, w drugim zaś jego położenie wyznaczają ściany systemów szczelin. Zwierciadło napięte związane jest z wodami wgłębnymi i głębinowymi.

Zwierciadło piezometryczne związane jest z ciśnieniem piezometrycznym, czyli ciśnieniem, jakie wywiera woda na spąg warstwy nadkładu. Zwierciadło to stanowi powierzchnię wyznaczającą poziom wysokości piezometrycznych
w poszczególnych punktach warstwy wodonośnej.

Zwierciadło wód podziemnych przedstawia się na mapach hydrogeologicznych najczęściej przy pomocy hydroizohips, rzadziej hydroizobat. Hydroizohipsami nazywamy linie łączące punkty zwierciadła wody leżące na tej samej wysokości względem obranego punktu odniesienia. Hydroizobatami zaś linie łączące punkty zwierciadła położone na jednakowej głębokości pod powierzchnią terenu.

Podstawę wykonania mapy zwierciadła wody stanowią pomiary parametrów położenia zwierciadła wody – odpowiednio wysokości bądź głębokości w wybranych punktach obserwacyjnych tj. otworach wiertniczych, studniach, szybach, wykopach. Pomiary takie są przeprowadzane przy pomocy odpowiednich przyrządów. W przypadku płytko położonych, widocznych zwierciadeł pomiarów dokonuje się przy użyciu wyskalowanych łat lub taśm pomiarowych z obciążnikiem. Do pomiaru zwierciadeł płytko położonych, niewidocznych używa się taśm
lub drutów pomiarowych wyposażonych w świstawkę. Przy pomiarze zwierciadeł głęboko położonych wykorzystuje się przyrządy optyczne bądź elektryczne
z automatycznym zapisem.

Niezmiernie ważne jest, aby pomiary położenia zwierciadła były dokonywane w punktach reprezentujących to samo zwierciadło. Warunek ten ma szczególne znaczenie na obszarach gdzie w poszczególnych punktach badawczych
na podobnych głębokościach mogą występować liczne, odrębne zbiorniki
lub strumienie wód podziemnych (Plewa M., Geologia inżynierska i hydrogeologia. Część III. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych). Ponadto, ze względu
na zmienność stanów wód podziemnych wymaga się, aby pomiary zwierciadła były przeprowadzane we wszystkich punktach obserwacyjnych w ciągu jednego dnia. Pomiary prowadzone w odpowiednio długim czasie (przynajmniej jeden rok hydrologiczny) pozwalają na sporządzenie map dających pogląd o zmienności stanów wód.

Opracowania mapy zwierciadła na podstawie wyników pomiarowych
w określonych punktach obserwacyjnych możemy dokonać przy pomocy interpretacji hydroizohips za pomocą programów komputerowych lub w sposób tradycyjny – poprzez graficzną lub analityczną interpretację.

Interpretację hydroizohips możemy przeprowadzić przy pomocy specjalistycznego programu do rysowania map, jakim jest SURFER lub za pomocą pakietów programów wchodzących w skład geograficznego systemu informacji GIS. Szczegółowy sposób sporządzania mapy hydroizohips przy użyciu programu SURFER przedstawiono w punkcie 3. Sposób interpretacji przy użyciu programów komputerowych jest zdecydowanie mniej czasochłonny od klasycznego, jednak
z różnych względów w określonych przypadkach niemożliwe jest jego zastosowanie.

Klasyczny sposób polega na naniesieniu punktów obserwacyjnych
na geodezyjny podkład sytuacyjno-wysokościowy i stworzeniu sieci trójkątów obliczeniowych tak, aby boki trójkątów tworzyły odcinki łączące dwa najbliżej siebie położone punkty obserwacyjne. Następnie metodą interpolacji liniowej wyznacza się punkty warstwicowe o wysokościach równych zakładanym wysokościom hydroizohips. Metodą przekrojów nanosimy linie zwierciadła wody
i przecinamy je prostymi poziomymi, położonymi na rzędnych wyznaczanych hydroizohips. Zrzutowanie punktów przecięcia tych linii na podstawę przekroju pozwala wyznaczyć położenie szukanych punktów warstwicowych. Wyznaczanie punktów warstwicowych tym sposobem, jak również przy użyciu szablonu szczegółowo opisuje Maria Plewa w książce Geologia inżynierska i hydrogeologia. Część III. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych, rozdział 4.1.2.

Przy pomocy mapy hydroizohips możemy ustalić kierunek przepływu wód podziemnych. Kierunek ten wyznaczają linie prostopadłe do hydroizohips
i skierowane zgodnie ze spadkiem zwierciadła (stosunek różnicy wysokości dwóch punktów zwierciadła, położonych na linii przepływu, do odległości między tymi punktami). Wraz ze wzrostem spadku zwierciadła zwiększa się zagęszczenie hydroizohips. Analiza kierunków przepływu pozwala ustalić miejsca, formy zasilania i drenażu warstwy wodonośnej.

1. Dane

W niniejszym projekcie wykorzystane zostały dane zamieszczone
w tabeli nr 1.

Tabela nr 1.

Nr otworu	x [m]	y [m]	zwierciadło wody [m n.p.m.]
S-1	1665	1725	105,2
S-2	1693	1735	105,4
S-3	1730	1730	105,7
S-4	1688	1714	104,3
S-5	1730	1705	104,7
S-6	1660	1685	103,2
S-7	1690	1675	101,7
S-8	1725	1675	101,3
S-9	1665	1655	100,8
S-10	1715	1655	100,4

1. Opracowanie projektu

Celem projektu jest sporządzenie mapy zwierciadła wód podziemnych
na podstawie danych zamieszczonych w tabeli nr 1.

W ramach projektu wykonano, a następnie przeanalizowano mapę hydroizohips. Do sporządzenia mapy wykorzystano program Surfer 8. Wszystkie etapy tworzenia mapy przedstawiono poniżej:

1. Utworzenie arkusza roboczego programu Surfer (File→New→Worksheet).

2. Wklejenie tabelarycznych danych zapisanych uprzednio w programie Excel (Edit→Paste Special→Text).

3. Zapisanie arkusza roboczego programu Surfer w formacie *dat (File→Save As).

4. Rozpoczęcie edytowania mapy (Grid→Data).

5. Przypisanie współrzędnym X, Y, Z poszczególnych kolumn z arkusza roboczego (X→x [m]; Y→y [m]; Z→zwierciadło wody [m n.p.m.]).

6. Ustalenie zakresu minimalnego i maksymalnego współrzędnych X(min=1650, max=1740), Y(min=1645, max=1745).

7. Utworzenie mapy hydroizohips (Map→Contour Map→New Contour Map).

8. Zmiana koloru hydroizohips, czcionki i częstotliwości wyświetlanych napisów (Map Contours Properties→Levels).

9. Zaznaczenie położenia punktów obserwacyjnych wraz z numerami otworów (Map→Post Map→New Post Map).

10. Przypisanie wartościom X, Y, Label poszczególnych kolumn z arkusza roboczego (X→x [m]; Y→y [m]; Label→Nr otworu), a następnie oznaczenie położenia punktów obserwacyjnych za pomocą symbolu i ustalenie położenia nr otworu nad symbolem otworu (Map Post Properties→Position Relative to Symbol→Above).

11. Ustalenie zakresu minimalnego i maksymalnego współrzędnych (identyczne jak w przypadku wcześniej sporządzonej mapy konturowej).

12. Nałożenie map na siebie (CTRL+A→Map→Overlay Maps).

13. Zaznaczenie położenia punktów obserwacyjnych wraz z zaznaczeniem rzędnej zwierciadła wody podziemnej (Map→Post Map→New Post Map).

14. Przypisanie wartościom X, Y, Label poszczególnych kolumn z arkusza roboczego (X→x [m]; Y→y [m]; Label→zwierciadło wody [m n.p.m.]),
    a następnie oznaczenie położenia punktów obserwacyjnych za pomocą symbolu i ustalenie położenia rzędnej zwierciadła pod symbolem otworu (Map Post Properties→Position Relative to Symbol→Below).

15. Ustalenie zakresu minimalnego i maksymalnego współrzędnych (identyczne jak w przypadku wcześniej sporządzonej mapy konturowej).

16. Ponowne nałożenie map na siebie (CTRL+A→Map→Overlay Maps).

17. Zaznaczenie kierunków przepływu wody przy pomocy strzałek (Draw→Symbol).

18. Zamiana jednostek z cali na centymetry (File→Preferences→Page Units→Centimeters).

19. Dopasowanie skali mapy (Map Post Properties→Scale), tak aby uzyskać skalę 1:500.

20. Dodanie tytułu i skali mapy (Draw→Text).

21. Zapisanie gotowej mapy (File→Save As).

4. Wnioski i podsumowanie

Na podstawie analizy wykonanej mapy możemy wywnioskować kierunek przepływu wód podziemnych. Na mapie zaznaczono go przy pomocy strzałek biegnących prostopadle do hydroizohips skierowanych zgodnie ze spadkiem zwierciadła. Widzimy, że woda płynie z obszaru, gdzie znajdują się otwory obserwacyjne o numerach S-1, S-2, S-3, ku obszarowi na którym zlokalizowane są otwory S-9 i S-10. Możemy zauważyć także, że spadek zwierciadła wody zwiększa się wraz ze wzrostem zagęszczenia hydroizohips. Największe zagęszczenie hydroizohips, a więc i największy spadek hydrauliczny możemy zaobserwować między otworem S-5, a S-8. Najmniejsza odległość dzieląca hydroizohipsy 103 i 102 na mapie wynosi 1,8 cm. Wiedząc, że skala mapy wynosi 1:500 możemy obliczyć rzeczywistą odległość między tymi hydroizohipsami.

1cm – 500cm

1cm – 5m

l=1,8*5=9m

Najmniejsza odległość dzieląca hydroizohipsy 103 i 102 w rzeczywistości wynosi 9m. Różnica wysokości między nimi równa jest 1m:

Δh=103-102=1m

Znając powyższe wartości możemy policzyć spadek hydrauliczny ze wzoru:

$$I = \frac{h}{l}$$

gdzie:

Δh – różnica wysokości między hydroizohipsami,
l – odległość między hydroizohipsami mierzona w linii prostej prostopadle
do hydroizohips

I_max=1/9≈0,11

Oznacza to, że na tym obszarze będzie występował najszybszy przepływ. Sytuacja odwrotna – najmniejsze zagęszczenie hydroizohips świadczyć będzie
o najwolniejszym przepływie. Największa odległość na mapie między hydroizohipsami –między hydroizohipsą 105 i 104 wynosi 4,8 m, co w rzeczywistości równa się 24m:

l=4,8*5=24m

A zatem spadek hydrauliczny na tym odcinku będzie najmniejszy i będzie wynosił:

Δh=105-104=1m

I_min=1/24≈0,04

4. Literatura

1. Plewa Maria, Geologia inżynierska i hydrogeologia. Część III. Przewodnik
   do ćwiczeń laboratoryjnych, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1998.

2. Wacławski Mieczysław, Geologia inżynierska i hydrogeologia. Część II. Hydrogeologia, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1999.

Objaśnienia:

- punkt obserwacyjny

- hydroizohipsa

- kierunek przepływu wody