Wykład Hydrogeologia 24.02.2010r

Hydrogeologia – nauka o wodach podziemnych i o procesach wzajemnego oddziaływania podziemnej hydrosfery, litosfery, atmosfery, biosfery i człowieka. Hydrogeologia zajmuje się badaniem zjawisk i procesów związanych z występowaniem, gromadzeniem i krążeniem wód podziemnych w środowisku skalnym, badaniem oddziaływania skał na wodę i wody na skały, związków z wodami powierzchniowymi, wpływu różnych czynników na kształtowanie się zasobów wód podziemnych.

Zasoby wód podziemnych i powierzchniowych stanowią źródło z którego korzystamy.

Działy hydrogeologii:

a) hydrogeochemia – zajmuje się składem chemicznym wód podziemnych, jego genezą, procesami powodującymi przemiany chemizmu wód podziemnych oraz możliwościami wykorzystania tych wód, zajmuje się również problemami zagrożeń i ochrony jakości wód podziemnych.

b) dynamika wód podziemnych – opisuje przepływ, bilans, zmiany ilości i jakości wód podziemnych. Do tego celu stosowane są metody opisujące przepływ wód podziemnych, pozwalają one na przewidywanie zachowania się wód podziemnych.

W dynamice podstawowej parametry hydrogeologiczne oznaczane są za pomocą: badań terenowych, badań modelowych, badań laboratoryjnych oraz wzorów empirycznych.

c) hydrogeologia regionalna – zajmuje się analizą warunków hydrogeologicznych w regionach hydrogeologicznych, geograficznych lub administracyjnych. Analiza dotyczy: warunków hydrogeologicznych regionalnej dynamiki krążenia, ilości i jakości wód podziemnych ich genezą, badań regionalnych i wzajemnych oddziaływań między różnymi strukturami hydrogeologicznymi. Bada łączność wód podziemnych z powierzchni, relacje między zasobami, bada oddziaływanie środowiska na wody podziemne, określa zagrożenia wód podziemnych w skali regionalnej oraz zasoby ich odnowy.

d) hydrogeologia stosowana – zajmuje się metodyką poszukiwań wód podziemnych i ustalania zasobów dla potrzeb gospodarki komunalnej, przemysłu, rolnictwa oraz wód mineralnych i termalnych dla potrzeb lecznictwa i energetyki, problematyką zawodnienia i metod odwadniania kopalń, metodyką prowadzenia robót odwodnieniowych w budownictwie melioracji.

Geneza wód podziemnych

- infiltracja – wsiąkanie, infiltracja opadów atmosferycznych w głąb skorupy ziemskiej

- kondensację – kondensacja pary wodnej zawartej w powietrzu wypełniającym pory i wolne przestrzenie w glebie, gruntach i skałach

- procesy geologiczne związane z powstawaniem skał i struktur geologicznych w. juwenilne (obszary czynnego młodego wulkanizmu) w. reliktowe (szczątkowe głębokie wody izolowane warstwami nieprzepuszczalnymi) w metamorficzne niektóre minerały w podwyższonej temperaturze ulegają przeobrażeniu wydzielając wodę.

Infiltracja i czynniki nią rządzące

Infiltracja jest najczęstszym, podstawowym procesem zasilania wód podziemnych. Ilość wody infiltrującej do podłoża zależy od czynników klimatycznych i właściwości infiltracji terenu.

Czynniki klimatyczne:

- wysokość opadów atmosferycznych

- ich rozkład w czasie

- temperatura

- wilgotność powietrza

Własności infiltracyjne terenu:

- przepuszczalność skał w strefie przypowierzchniowej

- nachylenie powierzchni terenu

- pokrycie szatą roślinnością

- zagospodarowanie terenu

- przemarzanie skał zmniejsza przepuszczalność podłoża

- stopień wcześniejszego nasycenia skał wodą

Krążenie wody w przyrodzie – proces wymiany wody zachodzący pomiędzy wodami atmosferycznymi, powierzchniowymi i podziemnymi. Woda krąży pomiędzy atmosferą, hydrosferą i litosferą przenosząc się z jednego środowiska do drugiego.

Na czym polega ten proces?

Z powierzchni oceanów, mórz, jezior i rzek woda stale paruje i przenosi się do atmosfery. Para wodna z powietrza w miarę ochładzania przechodzi w stan nasycenia, skrapla się spada na powierzchnię…

Schemat krążenia wody w przyrodzie

Woda w strefie aeracji występuje pomiędzy powierzchnią terenu, a zwierciadłem wód podziemnych. Wolne przestrzenie pomiędzy skałami są częściowo wypełnione wodą.

Woda w strefie aeracji może występować jako:

- woda higroskopijna – woda związana, powstaje poprzez adsorbowanie przez ziarna drobin pary wodnej powietrza.

- woda błonkowa – woda związana powstaje poprzez adsorbowanie przez ziarna wody w fazie ciekłej o grubość błonki nie przekraczającej 0,5um

- woda zawieszona – powstaje w strefie aeracji, gromadzi się w porach i szczelinach na stropie nieprzepuszczalnych soczewek

- woda kapilarna – woda w porach, szczelinach o wymiarach kapilarnych tuż nad powierzchnią zwierciadła wody na granicy strefy aeracji i saturacji.

Woda w strefie saturacji:

Podstawowe własności hydrogeologiczne skał:

- porowatość

- szczelinowatość

- przepuszczalność hydrauliczna

- wodochłonność

- odsączalność

- miarodajna średnia ziarn i współczynnik nierównomierności miarnienia

Porowatość jest to podstawowy parametr opisujący skały okruchowe i osadowe, cechującą się strukturą ziarnistą. Wolne przestrzenie pomiędzy ziarnami nazywamy porami. W niektórych przypadkach może występować porowatość podwójna (żwiry, rumosz, zlepieńce). Porowatość w znacznym stopniu zależy od spoiwa wypełniającego przestrzenie między ziarnami Najmniejszą porowatość mają skały magmowe, metamorficzne. Dużą porowatość niektóre skały osadowe.

Wymiary porów w skałach okruchowych są bardzo różne i mogą wynosić od ultramikroskopowych w iłach do kilku centymetrów w żwirach i rumoszach. Istotną rolę w porowatości odgrywają ilość porów, rozmiary oraz wzajemne połączenie porów.

Ze względu na ruch wody w porach i działanie sił międzycząsteczkowych podział porów:

- nadkapilarne – o średnicy większej od 0,5mm, umożliwiają wodzie poruszanie się w porach

- kapilarne – o średnicy 0,5-0,0002mm, jedynie ruch kapilarny

- subkapilarne – o średnicy mniejszej niż 0,0002mm, woda zostaje całkowicie związana i unieruchomiona działaniem sił międzycząsteczkowych

Współczynnik porowatości – stosunek objętości wszystkich porów występujących w próbce skały do objętości całej próbki

n=(V-Vz)/V*100=Vp/V*100%

Vp – objętość porów

Vz – objętość ziaren

V – objętość całej próbki skalnej

Wskaźnik porowatości – stosunek objętości porów do objętości ziarn w próbce skały

e= (V-Vz)/Vz=Vp/Vz

Pomiędzy wskaźnikiem i współczynnikiem porowatości występują pewne zależności:

V=Vz+Vp

n=Vp/(Vz+Vp) //Vz

n= Vp/Vz/1+Vp/Vz

n=e/1+e

Vz=V-Vp

e=Vp/V-Vp //V

e=n/1-n

Porowatość jest zależna od:

- stopień uziarnienia – skały równoziarsiste złożone z okrągłych ziarn o jednakowych rozmiarach mają dużą porowatość, skały różnoziarniste mają mniejszą porowatość w takim przypadku ziarna o mniejszej średnicy wchodzą między ziarna o większej średnicy zatykają pory zmniejszając objętość

- kształt i sposób ułożenia ziarn – w skale złożonej z ziarn kulistych porowatość jest większa niż w skale złożonej z ziarn mniej okrągłych.

- stopień scementowania – im jest on wyższy, tym mniejsza jest porowatość skały

Ze względu na połączenia pory w skałach

- pory otwarte, łączą się ze sobą za pomocą sieci kanalików i umożliwiają przewodzenie wody przez skały

- pory zamknięte lub zakryte nie łączą się ze sobą, są w całości otoczone substancją skalną