Jakość wód

• Właściwość wody opisana zespołem cech stanowiących o przydatności wody do określonych celów.

• Bez dodatkowego określenia celu, j. w rozumiana jest jako przydatność dla zaopatrzenia ludności. j. w. Określa się porównując analizie ocenianej wody z odpowiednimi przepisami lub normami.

• W związku z tym pojecie j. w rozumiana jest w poszczególnych państwach (ze względu na stosowanie różnicowanych kryteriów), a nawet w danym kraju, ze względu na okresowe zmiany przepisów i zróżnicowane użytkowanie wód.

• Przy określaniu j. w ocenia się jej skład chemiczny, właściwości fizyczne, własności chemiczne oraz stan bakteriologiczny. Przekroczenie ocenianych wskaźników świadczy o zanieczyszczeniu neogenicznym lub antropogenicznym wody.

• Wody powierzchniowe i podziemne różnią się jakością. Jakość wód podziemnych jest z reguły wyższa niż powszechnie zanieczyszczonych wód powierzchniowych. Wody podziemne wykazują też mniejsze wahania jakości, w naturalny sposób są, bowiem lepiej chronione przed przenikaniem zanieczyszczeń z powierzchni terenu

Właściwości wód

→fizyczne:

• przewodność elektrolityczna właściwa, miara przewodnictwa elektrolitycznego wody, traktowana jako cecha jakości wód naturalnych i powszechnie oznaczana dla przybliżonej oceny ich mineralizacji i stopnia zanieczyszczenia. Oznaczana jest zwłaszcza przy wskaźnikowych pomiarach terenowych oraz przy kontroli jakości wody, wyrażana w [mS/cm] w przybliżeniu odpowiadają mineralizacji wyrażonej w mg/dm³

• radoczynność natężenie promieniowania jądrowego rozpuszczonych składników gazowych (głównie Rn) i/lub stałych (głównie Ra)

• gęstość

• temperatura

- Zależą one od całokształtu warunków hydrogeologicznych i hydrogeochemicznych występowania wód, a zwłaszcza od składu chemicznego wody

→chemiczne

• odczyn (PPH),

• warunki utleniajaco-redukcyjne (Eh),

• kwasowość i zasadowość,

• mineralizacja

• twardość

- Niekiedy pojecie to wiązane jest bezpośrednio ze składem chemicznym wody i wówczas obejmuje też chemizm wody

Chemizm - skład rozpuszczonych (dysocjowanych i niezdysocjowanych) substancji występujących w wodzie (gazów, minerałów, substancji organicznej Itd.) a nie samej wody jako związku chemicznego.

Mineralizacja wód

• suma stężenia wszystkich mineralnych składników wody.

Minimalna ilość oznaczeń to makroskładniki, mineralne formy azotu (jony azotanowe i amonowe) oraz jony żelaza (żelazawe i żelazowe).

• Przybliżonymi miarami mineralizacji wody mnoga być:

- sucha pozostałość

- substancje rozpuszczone

- przewodność elektrolityczna właściwa

- twardość wody

• Podział wód ze względu na ich mineralizacje [g/dm³]: słodka, zwykła < 1;

półsłodka 1 - 3; słonawa 3 -10; słona10 -35; solanka > 35; solanka silna > 150.

Elementy wpływające na skład wody powierzchniowej:

- budowa geologiczna zlewni i wielkość kompleksu sorpcyjnego gleb

- topografia zlewni

- procesy wietrzenia i rozpuszczania minerałów budujących zlewnię

- procesy fizyczne (sedymentacja, sorpcja) i chemiczne (hydroliza i reakcje) zachodzące w środowisku wodnym.

- prędkość i natężenie przepływu wody decydujące o wielkości wymiany między substancjami występującymi w wodzie i zdeponowanymi na dnie rzeki oraz zbiorników

- wielkość powierzchni kontaktu wody z powietrzem atmosferycznym

- mieszanie się wód o różnym składzie

- rodzaj organizmów wodnych i aktywność przemian biologicznych

- warunki atmosferyczne

- sposób i stopień zagospodarowania zlewni

- rodzaj obiektów hydrotechnicznych i stopień regulacji rzeki

- sposób użytkowania wód

- głębokość zbiorników wód i ich lokalizacja w stosunku do źródeł emisji zanieczyszczeń

Czynniki kształtujące skład chemiczny

wód powierzchniowych

Wyróżniono cztery główne czynniki kształtujące skład chemiczny cieku. Są one związane ze stanami i przepływami wód.

A: ma największe znaczenie w trakcie wezbrań wiosennych i wiąże się z intensywnym wymywaniem z gleb łatwo rozpuszczalnych jonów, głównie NO₃- i SO₄^2-, których stężenie osiąga w tym okresie maksimum.

B. W okresie niżówek w warunkach niskiego potencjału redox z osadów dennych uwalniane są mobilne związki P i Fe, co powoduje maksymalne ich stężenie w rzece.

C. Podczas wysokich stanów wód, m.in. w trakcie opadania wiosennej fali wezbraniowej lub po intensywnych opadach, skład chemiczny cieku jest kształtowany głównie przez odpływ gruntowy, wynoszący z obszaru zlewni jony: Cl^-, SO₄^2-, Na⁺, Ca²⁺

D. W okresie niżówek na skład chemiczny wód wpływa przede wszystkim zasilanie przez wody głębokiego krążenia o zwiększonym stężeniu SiO₃^2-, Mg²⁺ Fe^2+/3+ i Na⁺ .

Stwierdzono, że szczegółowa identyfikacja zjawisk hydrochemicznych wymaga analizy statystycznej danych oddzielnie dla poszczególnych okresów hydrologicznych.

Jony główne (podstawowe), wód powierzchniowych

• Aniony:

- chlorkowy Cl^-, siarczanowy SO₄^-2, wodorowęglanowy HCO₃^-2

• Kationy

- sodowy Na⁺, potasowy K⁺, magnezowyMg⁺², wapniowy Ca⁺²

Składniki drugorzędne:

- Aniony - NO₃, NO₂, F

- Kationy - NH₄, Fe^2+,3+, Mn

Mikroelementy: Al., Ar, B, Br, Cd, Cr, Hg, Ni, Cu, Zn, Pb, Tl,

Promieniotwórcze: U, Rd, Th, H³⁺, Rn Ba, Sr

Jony główne (podstawowe) wód podziemnych:

• Aniony:

- chlorkowy Cl^-, siarczanowy SO₄^-2, wodorowęglanowy HCO₃^-2

• Kationy

- sodowy Na⁺, potasowy K⁺, magnezowyMg⁺², wapniowy Ca⁺²

Często jon potasowy i sodowy przedstawiane są łącznie, zwykle w przeliczeniu na jon sodowy. Stężenia j. g. i wzajemne ich proporcje wykorzystywane są przy klasyfikowaniu chemizmu wód podziemnych. Proporcje te zamieniają się wraz ze zmianami warunków środowiska występowania wód podziemnych

Strefowość hydrogeochemiczna wód podziemnych

• Zmienność chemizmu wód podziemnych w pionie uwarunkowana głównie ograniczeniem wraz z głębokością ruchliwości wód, szybkości i intensywności wymiany wód infiltracyjnych, przedłużeniem czasu współdziałania wód podziemnych z ośrodkiem skalnym, oraz zmiana warunków fizycznych.

• Stosując kryterium mineralizacji wody, od powierzchni terenu wyróżnia się strefę wód słodkich, wód akratopegowych oraz mineralnych.

• Kryterium warunków utleniająco - redukcyjnych pozwala wydzielić strefę utleniających, warunków glejowych i warunków redukcyjnych.

Chemizm wód opisany relacja stężeń głównych jonów, w warunkach klimatów umiarkowanych pozwala wydzielić wraz z głębokością strefy wód typów: HCO₃ - Ca, SO₄ - Cl - Na - Ca, Cl - Na, Cl - Na -Ca i najgłębiej w strefie stagnacji wody typu Cl-Ca.

Woda jako rozpuszczalnik (roztwór)

• Woda w czasie w czasie przemieszczania się w atmosferze parowania rozpuszcza gazy (CO₂, O₂, N₂, H₂S, SO₂, SO₃, H₂) i drobne cząstki mineralne (pyły)

• na skutek wzbogacania w mineralne lub schłodzenia następuje skraplanie

• opada atmosferyczny w różnej postaci rozpuszcza obecne w atmosferze związki mineralne

• Filtrując przez strefę aeracji rozpuszcza obecne w niej minerały (zanieczyszczenia)

• przechodząc przez kolejne warstwy litosfery wzbogaca się w związki mineralne aż do pełnego nasycenia

• Przechodząc przez różne pod względem składu chemicznego w-wy skalne może dostarczać minerały i związki chemiczne dla wytracania nowych minerałów i związków chemicznych (strącanie, buforowanie, rozpad minerałów itp.)

Rodzaje i pochodzenie wód powierzchniowych:

Infiltracyjne - wody opadowe, które wsiąkają w głąb skorupy ziemskiej, dominują w płytkiej warstwie skorupy ziemskiej

Kondensacyjne - skroplona woda na skutek oziębienia skroplonego powietrza, które wniknęło pod ziemie

Reliktowe - które w przeszłości geologicznej zostały uwięzione w warstwach skalnych i przez to nie miały kontaktu z otoczeniem przez długi czas.

Juwenilne - powstają w ostatnim stadium krzepnięcia magmy.

Metamorficzne - powstają np. z przeobrażenia gipsu w anhydryt.

Zwierciadło wód podziemnych - granica stref aeracji (napowietrzenia) i saturacji (nasycenia). Zwierciadło wód podziemnych może być napięte, lub swobodne.

Swobodne - pozostające pod ciśnieniem atmosferycznym, co oznacza, że nad zwierciadłem wody w tej samej warstwie przepuszczalnej występuje przestrzeń bez wody umożliwiająca jego podnoszenie się.

Napięte - pozostające pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Jego położenie jest wymuszone przez wyżej leżące utwory nieprzepuszczalne, które uniemożliwiają wzrost poziomu zwierciadła wody. Występuje na granicy warstwy wodonośnej i warstwy nieprzepuszczalnej.

Lej depresji - obszar obniżonego statycznego zwierciadła wód gruntowych w stosunku do jego naturalnego poziomu wokół miejsca ich poboru

Strefa aeracji - (inaczej strefa napowietrzenia) strefa pomiędzy powierzchnią terenu a zwierciadłem wód podziemnych. Wolne przestrzenie pomiędzy skałami są częściowo wypełnione wodą lub powietrzem. Woda w postaci ciekłej może występować jako woda związana (higroskopijna, błonkowata lub kapilarna) lub jako woda wolna (wsiąkowa lub zawieszona). Woda w strefie aeracji może także występować w postaci pary wodnej. Wody w tej strefie pozostają w ścisłym kontakcie z powietrzem i nie tworzą ciągłego horyzontu..

Strefa saturacji - warstwa skalna, w której wolne przestrzenie (szczeliny, pory) są całkowicie wypełnione wodą. Od strefy aeracji oddzielona jest zwierciadłem wód podziemnych. Wody w strefie saturacji dzielimy na gruntowe, wgłębne i głębinowe.

Rodzaje i występowanie wód podziemnych;

Wody strefy aeracji:

-wody błonkowate (wody adhezyjne) - woda otaczająca błonką ziarna mineralne, powierzchnia, których jest

wysycona wodą higroskopijną. Z ziarnem mineralnym wiążą je siły elektryczne przyciągające drobiny wody. Grubość błonki nie przekracza 0,5 μm. Gęstość wód błonkowatych jest większa niż wody wolnej, temperatura zamarzania niższa od 0˚C. Nie podlega sile ciężkości, nie przenosi ciśnienia, ma ograniczoną zdolność rozpuszczania. Zdolność wiązania wody błonkowatej to wodochłonność molekularna, a ilość wody błonkowatej w skale to wilgotność molekularna.

-wody higroskopijne - związane siłami molekularnymi z ziarnami mineralnymi skał. Powstają na drodze adsorbcji przez ziarna drobin pary wodnej z powietrza. Gęstość w. h. wynosi 2 [g/dm³], temperatura zamarzania -78 ˚C. W. h. nie przenoszą ciśnienia hydrostatycznego, nie mają zdolności rozpuszczania, ani zdolności do ruchu. Mogą otaczać ziarno mineralne częściowo lub całkowicie. Całkowite wysycenie powierzchni ziarn drobinami wody nazywamy maksymalną wilgotnością higroskopijną;

-wody kapilarne - występują w strefie aeracji w porach i szczelinach o wymiarach kapilarnych. Poruszają się pod wpływem sił spójności i przylegania tworząc na granicy strefy saturacji i strefy aeracji strefę wzniosu kapilarnego. Wody kapilarne podlegają sile ciężkości, przekazują ciśnienie, mają zdolność rozpuszczania, zamarzają w temperaturze nieco niższej od 0˚C. Wyróżnia się: wodę kapilarną właściwą - nieoderwaną od wody wolnej w strefie saturacji i wody kapilarne zawieszone - tworzące soczewki w strefie aeracji;

- wody wolne - tworzące w strefie aeracji lokalne zbiorowisko nad stropem soczewki utworów nieprzepuszczalnych, którego zasoby zmieniają się pod wpływem opadów i parowania.

Wody strefy saturacji:

- wody zaskórne (wierzchówki) - tworzące się na niewielkich głębokościach (do 2 m) w zagłębieniach terenu, w dolinach rzecznych i na brzegach jezior wskutek obfitych opadów. Podlegają dobowym wahaniom temperatury i silnemu parowaniu. Często zanikają w okresach posusznych. Nie tworzą ciągłego zwierciadła tzn. występują lokalnie, najczęściej w miejscach o pogorszonych warunkach infiltracyjnych.

- wody gruntowe - położone poniżej strefy aeracji. Zwierciadło podlega wahaniom sezonowym, naśladuje formy rzeźby powierzchni (jest współkształtne z powierzchnią ziemi). Obficie zasilają rzeki i jeziora. W głębszych warstwach wody gruntowe są dobrze przefiltrowane (wody freatyczne - studzienne).

- wody wgłębne - położone poniżej spągu warstw nieprzepuszczalnych, zasilane wodami przesiąkającymi przez szczeliny uskoków tektonicznych, okna hydrogeologiczne albo na wychodniach skał przepuszczalnych na powierzchnię (najczęściej). Ze względu na izolację od warunków zewnętrznych nie podlegają wahaniom temperatury lub zaznaczają się tylko zmiany sezonowe (dla płycej występujących). Charakteryzują się napiętym zwierciadłem, dostosowanym do kształtu nadległych warstw nieprzepuszczalnych. W strefach wychodni, lub kontaktu z wodami innych horyzontów, zwierciadło jest swobodne. Różnica poziomów najniżej i najwyżej położonych punktów zwierciadła umożliwia powstawanie efektu artezyjskiego i subartezyjskiego w rozległych synklinach (Niecka Mazowiecka, Niecka Łódzka, Basen Londynu, Basen Dakoty, Wielki Basen Artezyjski).

- wody głębinowe - wody uwięzione w warstwach skalnych w przeszłości geologicznej, całkowicie odizolowane od czynników zewnętrznych. Zazwyczaj są silnie zmineralizowane, niekiedy ogrzane ciepłem Ziemi.

Zasoby wód podziemnych:

-Ilość wód podziemnych traktowanych jako surowiec, wyrażana najczęściej w jednostkach objętościowych na jednostkę czasu, zawarta w zbiorniku wód podziemnych lub zlewni wód podziemnych lub innej jednostce hydrogeologicznej

-Wody podziemne znajdują się przeważnie w ruchu i są odnawialne, ocena ich zasobów zarówno ilościowa jak i jakościowa dokonywana jest dla określonego czasu i na podstawie danych z okresu wieloletniego.

-Najogólniejszy podział z. w. p. wynika ze sposobu ich występowania i powstawania (naturalne, sztuczne) oraz ich dynamiki (odnawialne ,statyczne, dynamiczne). W zależności od rodzaju i zakresu ich rozpoznania rozróżnia się dyspozycyjne i eksploatacyjne.

-O wielkości zasobów decydują: rozmiary zbiornika wód podziemnych

(rozprzestrzenienie i miąższość) i jego położenie względem utworów otaczających, parametry hydrogeologiczne utworów wodonośnych oraz warunki zasilania zbiornika

• Naturalne - Zasoby wód podziemnych, powstające pod wpływem czynników przyrodniczych: opady atmosferyczne, infiltracja, influacja, kondensacja pary wodnej, procesy juwenilne

• Sztuczne - Zasoby wód podziemnych, powstające na skutek działalności człowieka: sztuczne zasilanie, piętrzenie wód powierzchniowych, irygacja, a także piętrzenie wód podziemnych

• Statyczne - Całkowita objętość wody wolnej, zawartej w porach i innych pustkach skalnych zbiornika wód podziemnych, określona dla danej chwili niezależnie od ruchu wody. Wyrażana jest w jednostkach objętościowych jako iloczyn objętości zbiornika i współczynnika odsączalności: Qs = F· h·μ

Gdzie: F - powierzchnia zbiornika w m², h - średnia niższość utworów wodonośnych poniżej zwierciadła w m, μ - współczynnik odsączalności

• Odnawialne (dynamiczne) - ilość wody, która przepływa przez przekrój poziomu wodonośnego, zbiornika wód podziemnych wyrażona w jednostkach objętości na jednostkę czasu. Zależą od stopnia odnawialności t.j dopływu z obszarów zasilania do strefy saturacji, a z drugiej strony od ubytku na skutek naturalnego drenażu do rzek, jezior i mórz, oraz drenażu sztucznego -ujęcia wód podziemnych, odwadnianie kopalń itp

Wielkości te (dopływ i odpływ) są zbliżone (przyjmuje się, że w okresie wieloletnim są równe), dlatego do oceny zasobów odnawialnych stosowane są miedzy innymi metody oparte zarówno na wielkości dopływu jak i odpływu ze zbiornika wód podziemnych

gdzie: B - szerokość strumienia w i-tej warstwie

• Sprężyste - Ilość wody, jaka wyzwala się wskutek wywołanego zmniejszenia ciśnienia piezometrycznego, objętościowego zmniejszenia porów. Wielkość zswp zależy m.in.od współczynnika zasobności sprężystej . Udział zswp w całkowitych ogólnych zasobach jest niewielki (ok. 1%)

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

• Zmienne - część zasobów statycznych lub odnawialnych (dynamicznych) między najniższym i najwyższym w wieloleciu stanem zwierciadła wód podziemnych

• Dyspozycyjne - Ilość wód podziemnych zbiornika lub jego części nadających się i możliwych do wykorzystania gospodarczego przy zachowaniu ograniczeń związanych z wymaganiami ochrony środowiska naturalnego,

• Eksploatacyjne - Dopuszczalna ilość (pobór) wód podziemnych w ujęciu przy określonym sposobie eksploatacji, uwzględniającą ograniczenia związane z wymaganiami ochrony środowiska i warunkami techniczno - ekonomicznymi poboru wody. Zasoby eksploatacyjne wyrażane są w jednostkach

objętościowych w jednostce czasu (m³ /h, m³/d) przy odpowiedniej depresji. Uwzględnia się zasobów dyspozycyjnych zbiornika wód podziemnych w obrębie, którego znajduje się ujecie. Qe = Qs + Qz

1 - zasoby statyczne,

2- dynamiczne

3-z sąsiednich warstw,

ze zbiorników powierzchniowych i rzek

Bilans wodny- Bilans Pencka - jest to zestawienie obiegu wody w przyrodzie na poszczególnych obszarach (np. dorzecze, zlewisko itd.), z rozróżnieniem na przychody i rozchody (odpływy). Mierzy się go, biorąc pod uwagę ilość opadów na danym terenie, odpływ powierzchniowy i podziemny z danego terenu, parowanie.

Do obliczania bilansu wodnego stosuje się "Równanie bilansu wodnego Pencka" P=S+E+ΔR ,

gdzie: P - opady; S - odpływ (podziemny, powierzchniowy); E - parowanie; ΔR - zmiana retencji (retencja powierzchniowa, podziemna)Równanie to wyznacza się dla określonego obszaru (zlewni, dorzecza) dla roku hydrologicznego.

Bilans wodny

→H + Rp = O + P +Rk

-jeżeli bilans dla wielolecia to: Rp = Rk, H = O + P

→odpływ: O = Sp + Op

Bilans wód podziemnych

→Q - Q₁ + W P = n_c Δh P

Q - dopływ do w-wy, Q₁ - odpływ z w-wy, W - infiltracja, P - powierzchnia zasilania

n_c - porowatość efektywna, Δh - zmiana naporu hydraulicznego w rozpatrywanym czasie

Dopływ globalny

• Suma dopływów wód do urządzeń odwadniających w tym samym czasie

• Szacowanie wielkości globalnego dopływu konieczne jest do celów projektowych:

- ilości i rodzaju obiektów odwadniających

- ich wydajności

- wielkości geometrycznych np. osadników, rowów itp.

→ Zależy od:

- warunków hydrogeologicznych

- sposobu odwadniania i systemu (rozmieszczenia) wyrobisk odwadniających

- systemu i postępu eksploatacji górniczej, rodzaju wyrobisk i ich głębokości

- zbiorników wód oraz cieków powierzchniowych

Szacowanie globalnego dopływu

• Dla warunków ustalonych

- metody analogii hydrogeologicznej

- analizy wód podziemnych

- metody bilansu

- metody numeryczne (modelowanie)

• Dla warunków nieustalonych

- wzory dla filtracji nieustalonej

- metody numeryczne (modelowanie)

Równanie dopływu wód do studni

Zw. Swobodne:

Zw. napięte:

Gdzie:

ho - głębokość w drenie nad podłożem

H - pierwotna wysokość zw. wody

R - zasięg depresji ustalonej

r₀ - promień studni

h1,h2 - wysokość zdepresjonowanego zw. dla wody nad podłożem w odległości r1,r2 od osi drenu

Prawo Darcy

Liniowe doświadczalne prawo filtracji wyrażające proporcjonalność prędkości filtracji do spadku hydraulicznego. D. p. wyraża się wzorem:

v = k · J

gdzie v - prędkość filtracji [L T-1], k - współczynnik filtracji [L T-1], J - spadek hydrauliczny wyrażający się wzorem

J = D·H/s , gdzie: H - wysokość hydrauliczna [L], s - droga filtracji [L].

W zapisie różniczkowym D. p. ma postać:

Znak minus oznacza, że dodatniemu przyrostowi drogi filtracji odpowiada ujemny przyrost wysokości hydraulicznej MR

Warunki stosowania prawa Darcy:

- pomijanie sił bezwładności czyli sił związanych ze zmianą prędkości (Dv/dt)

- prędkość filtracji musi być dostatecznie mała

- ośrodek porowaty musi być dostatecznie duży w porównaniu do jego mikrostruktury

- wartości Re są małe

Górna granica stosowalności:

liczba Re będąca miarą stosunku siły bezwładności do sił tarcia wewnętrznego: Re=v·l/ν, Re<2300

W ośrodku porowatym Re=v*de/v

Przy wyznaczaniu granicy stosowalności prawa Darcy przez określenie Re utożsamia się najczęściej Vkr, powyżej której ruch przestaje być laminarny Jako wartość graniczną stosowalności prawa filtracji przyjmuje się wartości Re ok. 1÷10. Dla tych wartości Re obliczmy ze wzoru:

Re= Vgr*de/V*np.^(1/3) ,gdzie np.- porowatość

Dla Re>10 obowiązuje nieliniowe prawo Darcy chociaż, strumień pozostaje laminarny do Re = 100

Dolna granica stosowalności:

-W gruntach słabo przepuszczalnych odbywa się przepływ o charakterze nieliniowym, wiąże się to z występowaniem sił molekularnych między cząstkami gruntu a wodą

-Przepływ ten odbywa się wg innych zasad niż filtracja w gruncie przepuszczalnym

Pojęcia związane z wilgotnością gruntów

Wilgotność gruntu - Ilość wody zawarta w danym momencie w glebie wyrażona w stosunku do całkowitej objętości lub całkowitej masy próbki suszonej w temperaturze 105⁰C. Wyraża się liczbą nie mianowaną, procentami lub ułamkiem dziesiętnym.

Wilgotność naturalna - wilgotność gruntu w warunkach zalegania W=(Gw/Gs)*100% , gdzie Gw - ciężar wody zawartej w porach, Gs - ciężar gruntu suchego

Wilgotność naturalna objętościowa - Wo=Vw/Vc, gdzie Vw - objętość wody w porach, Vc - całkowita objętośc porów w gruncie

Stopień wilgotności - (współczynnik wilgotności naturalnej Sw) wskazuje, jaka część porów jest zajęta przez wodę. Sw=Vw/Vp , gdzie Vw - objętość wody, Vp - całkowita objętość porów w gruncie.

-grunt absolutnie suchy Sw=0, grunt suchy lub mało wilgotny 0<Sw<0,4, wilgotny 0,4<Sw<0,8, mokry 0,8<Sw<1, całkowicie wypełniony wodą Sw=1

Obliczenie dopływu do kopalni

Metody szacowania odpływu: -bilansowe, - analogii hydrogeologicznej, - oparte na wzorach hydrauliki wód podziemnych, - metody numeryczne

Kryteria klasyfikacji hydrogeologicznej złóż:

-rodzaj eksploatacji (podziemna, odkrywkowa, otworowa)

-rodzaj skał budujących złoże (- luźne, piaszczyste, ilaste - zwięzłe szczelinowate - skrasowiałe)

-głębokość złoża, warunki zasilania

-usytuowanie horyzontów wodonośnych względem zloża

(-wody w stropie złoża,- złożowe,- spągowe)

Czynniki wpływające na dopływ wód do kopalni:

-czas, głębokość kopalni ( wzrost ciśnienia hydrostatycznego, zmniejszenie przepuszczalności wraz z głębokością), powierzchnia kopalni, wydobycie

Metody analogii hydrogeologicznej prognozowania zawodnienia kopalń albo nowych partii i/lub poziomów wydobywczych w rozwijających się kopalniach, w oparciu o podobieństwo warunków hydrogeologicznych do kopalń o znanych dopływach (kopalń-analogów). Rozróżnia się metody jednoparametrowe i wieloparametrowe, przy czym parametrami są najczęściej:

• wydobycie kopaliny

• powierzchnia eksploatacji,

• długość wyrobisk chodnikowych,

• głębokość eksploatacji itp.

• depresja zw. wody

• jednostkowe wydatki

Metody analogii hydrogeologicznej

• Stosowane wzory obliczeniowe maja postać:

- metody jednoparametrowe:

- metody wieloparametrowe:

Gdzie:

Q_p - dopływ prognozowany, Q_a - dopływ do kopalni-analoga , x,x₁ .. x_n- parametry ,indeks p oznacza wartosc parametru w kopalni nowej, indeks a - w kopalni-analogu,

f, f₁ .. fn - funkcje przypisane do poszczególnych parametrów

-współczynnik zawodnienia

z=W/K [m³/t], gdzie W-ilość wody dopompowana w jednostce czasu, K- wydobycie ( kopaliny, nadkładu)

-globalny dopływ przy założonym wydobyciu c:

Qp=z·c, warunki: występuje zależność liniowa pomiędzy W i C, podobne warunki hydrogeologiczne

-wielkość depresji zwierciadła wody lub ciśnienia wody

-dla wód napiętych:

-dla wód napiętych głęboko zalegających:

-dla wód swobodnych

Gdzie: Q- dopływ, s- depresje, H- miąższość horyzontu wodonośnego

-Warunki: intensywne zasilanie wód podziemnych, przepływy ustalone, zasoby statyczne są nieduże i sczerpywalne

-wydatek właściwy ( jednostkowy) q

przy uwzg. długości projektowanych wyrobisk górniczych L, Qp=q₁·L

przy uwzględnianiu pow. projektowanych wyrobisk F

Qp=q₂·L

gdzie: q_1, q₂-odpowiednio wydatki właściwe na jednostkę Długości i powierzchni wyrobisk kopalni istniejącej

-Warunek: podobne wymiary kopalń, uwzględnia się, że: - w pierwszych latach dopływ wzrasta na skutek wzrostu wymiarów kopalni, - w kolejnych latach dopływ zmniejsza się na skutek zdrenowania górotworu,- w końcowej fazie istnienia kopalni dopływ maleje na skutek zmniejszania się wymiarów kopalni, - czerpania zasobów

-współczynnik filtracji k

-dla wód napiętych -dla wód swobodnych

gdzie: M- miąższość warstw wodonośnych, H-wysokość ciśnienia wody w horyzoncie wodonośnym, s-depresja zw.w

Metoda bilansu wodnego

Dla złóż: o ograniczonych zasobach wód podziemnych, w obszarach krasowych, z płytko występującymi wodami podziemnymi, z lokalnym zasilaniem wód podziemnych, dla obszarów stanowiących pod względem hydrogeologicznym zamkniętą całość ( zlewni podziemnych)

-metody nie można stosować np. dla poszczególnych pól górniczych

Dopływ globalny

•w początkowym stadium ( w okresie formowania się leja depresji równy jest sumie dopływów wód statycznych i powierzchniowych): Q = Qs + Qp

•po wyczerpaniu wód statycznych( po uformowaniu się leja depresji równa się sumie odpływów dynamicznych i powierzchniowych Q = Qd + Qp

•Średni dopływ wód statycznych:

gdzie: t - czas szczerpywania, V- objętość leja depresji,μ-współ.odsączalności w-wy wodonośnej

•Średni dopływ wód dynamicznych: Qd = A ·m_o

gdzie: A - powierzchnia zlewni podziemnej, mo- moduł zasilania podziemnego l/s/ha

-w przypadku zasilania infiltracyjnego: Qd = φ ·P ·A

gdzie φ - współczynnik infiltracji (spływu podziemnego), P - wydajność opadu rocznego [m³/m²], A - powierzchnia leja depresji (obszaru zasilania)

Metoda dynamiki wód podziemnych - wielkiej studni

• Analizy dynamiki wód podziemnych

- założenie: wyrobisko odkrywkowe (zespół studni) traktuje się jak studnie o promieniu odpowiadającym promieniowi zastępczemu wyrobiska

-metodę stosuje się dla ustalonego reżimu wód poziemnych

-może być stosowana w warunkach szczególnych, przy stosowaniu odpowiedniej korekty we wzorach (tj.np. przy występowaniu zasilania dodatkowego-cieki, zb.pow., przy wstępowaniu warstw nieprzepuszczalnych)

- stosuje się te same wzory na dopływ, co dla drenów pionowych

Dopływ globalny

• dla wód swobodnych:

• dla wód naporowych

Gdzie: R- zasięg leja depresji,s₀- depresja zw. w wyrobisku, r₀-promień zastępczy „studni”

-Dla wyrobisk odwadnianych sposobem otwartym

-Dla wyrobisk odwadnianych sposobem studziennym

gdzie: A- pow.wyrobiska, L- odległość od studni do środka wyrobiska, n- liczba studni

Promień oddziaływania ( promień leja depresji)

-dla wód swobodnych

-dla wód naporowych

Dla studni niedoskonałych ( jeśli dno wyrobiska (studnie odwadniające) nie jest dogłębione do spągu warstwy wodonośnej, należy stosować poprawkę Forchheimera)

Dopływ globany

Q_n = Q· b

gdzie: Q - wydajność studni zupełnej [m3/h], L - długość części czynnej filtra [m], h₀ - wysokość dynamicznego (obniżonego) zwierciadła wody w studni [m] ,m - miąższość warstwy wodonośnej [m]

b - poprawka Forchheimera

zw. swobodne: zw. naporowe:

Ustalenie ilości studni odwodnieniowych - dopływ do pojedynczej studni nie powinien przekraczać wydatków max. Ze względu na Vmax(Vd) przepływy filtracyjnego

Qst=vd·Ff

F=2·π·r·l,

Współdziałanie studni - rzeczywisty dopływ do zespołu studni będzie mniejszy ze względu na współdziałanie studni

Obniżenie zwierciadła wody w obrębie leja depresji

Współczynnik interferencji

Dopływ do pojedynczej studni w warunkach współdziałania

(wydatek)

Dla warunków swobodnych

Dla warunków naporowych

R₀=R+r₀

Ostatecznie spełniony musi być warunki: Q`·n ≥ Q, Hm<h₀

h₀=H-s

Modelowanie numeryczne:

Analiza obiektu -uwarunkowania naturalne:

-budowa geologiczna, warunki hydrogeologiczne wynikające z tej budowy i parametry użytkowe poziomów wodonośnych, intensywność i rodzaju zasilania, kontakt hydrauliczny wód podziemnych z powierzchniowymi, jakość wód i jej zagrożenia, eksploatacja wód podziemnych lub odwodniania górniczego

Konstrukcja modelu matematycznego

-struktura modelu matematycznego, obszar badań modelowych, warunki brzegowe ( I rodzaju: H=const,

II rodzaju: Q=const, III rodzaju, H=f(Q) ), krok siatki dyskretyzacyjnej, parametry hydrogeologiczne ( filtracyjne)

Etapowanie badań modelowych

- identyfikacja zadań odwrotnych tj. porównywanie pracy modelu o pierwotnie przyjętych parametrach i warunkach brzegowych z pracą systemu rzeczywistego, procedura posada charakter iteracyjny,- weryfikacja modelu, porównania reakcji modelu na zadane wymuszenia z reakcjami systemu rzeczywistego, analiza zgodności między danymi generowanymi przez oba te układy, zwykle wykorzystuje się w tym celu stanu dobrze rozpoznane w modelowanym obszarze, w war. natur. i eksploatacyjnych-

-prognozy symulacyjne, obliczania prognostycznych, najczęściej wielowariantowe

Wyniki modelowania: wydajność studni/systemów odwadniania, depresje zw.wody/hydroizohipsy zw.wody, kierunki prędkości przepływu, bilans zlewni, migracja zanieczyszczeń

Odwadnianie (kopalniane, budowlane, rolnicze)

Czynności związane z obniżeniem zwierciadła wód podziemnych, np. w celu udostępnienia złoża, osuszenia wykopów i budowli, poprawienia warunków

wilgotnościowych gleby, itp.

Odwadnianie grawitacyjne, sposobem otwartym- polegające na grawitacyjnym odprowadzaniu napływających wód za pomocą sztolni i otwartych rowów poza obszar górotworu rozciętego wyrobiskami

•stosowane w kamieniołomach i kopalniach odkrywkowych, także w podziemnych, jeśli pozwala na to położenie bazy drenażu w stosunku do wyrobisk

Odwadnianie sposobem górniczym - polegające na wykorzystywaniu podziemnych wyrobisk korytarzowych oraz otworów wierconych z nich w różnych kierunkach i o różnej długości w celu drenażu wód podziemnych z górotworu otaczającego wyrobiska. Jest powszechnie stosowane do odwadniania kopalń podziemnych. Stosuje się też go do odwadniania wyprzedzającego górotworu w kopalniach odkrywkowych.

Odwadnianie sposobem studziennym

• Odwadnianie górotworu otaczającego wyrobiska kopalni poprzez wywołanie depresji za pomocą pompowania wody ze studni odwadniających, współdziałających ze sobą i stanowiących określony system - najczęściej barierę okalają. Stosowane powszechnie w górnictwie odkrywkowym

Odwadnianie sposobem kombinowanym

• Odwadnianie górotworu w otoczeniu wyrobisk kopalni i samych wyrobisk polegające na równoczesnym wykorzystywaniu środków i urządzeń drenażowych stosowanych w odwadnianiu sposobem górniczym, studziennym i otwartym oraz łączeniu ich we wspólny system odwadniania. Jest stosowane w kopalniach podziemnych i odkrywkowych eksploatujących złoża o skomplikowanych warunkach hydrogeologicznych.

Dopływ wody do kopalni- składniki zasilania zasobów eksploatacyjnych ujęcia wody

Zasoby dynamiczne

- infiltracja efektywna opadów na obszar spływu wody do ujęcia w granicach obszaru zasobowego

- dopływ boczny w warstwie wodonośnej spoza obszaru zasobowego

Zasoby wzbudzone

- dodatkowa retencja z magazynowania w leju depresji wód w okresie ich wysokich stanów

- przesiąkanie z warstw sąsiednich ( nad- i podległych) w stosunku do ujętej warstwy wodonośnej

- infiltracja wód powierzchniowych

- przyrost infiltracji efektywnej na skutek zmniejszenia się ewapotranspiracji w obszarze leja depresji

Kształtowanie się dopływu do wyrobisk

Zagospodarowanie wód kopalnianych

Koszty związane z eksploatacją i zrzutem wód dołowych

-Opłaty za pobór wód

-Opłaty za zrzut wód (pozwolenia wodno-prawne)

Kary za przekroczenia dopuszczalnych steżeń/ładunków

Możliwości zagospodarowania wód w kopalni

•Wykorzystanie wód: procesy technologiczne (np. przeróbka, lokowanie odpadów, podsadzka, itp.), instalacje wewnętrzne (np. p.poż.)

•Zaopatrzenie w wodę pitna

•Zatapianie starych wyrobisk lub zrobów

Możliwości zmniejszenia dopływu

• zmiana lokalizacji robót eksploatacyjnych,

• zmiana technologii eksploatacji,

• izolowanie otworów, wyrobisk lub stref górotworu o znacznym dopływie wód słonych,

• zatrzymywanie wód słonych w wyrobiskach górniczych,

• zatłaczanie wód słonych do górotworu otworami dołowymi

Zagospodarowanie wód

• Hydrotechniczna metoda dozowania zrzutu wód słonych do cieków powierzchniowych poprzez zbiorniki retencyjno - dozujace (powierzchniowe i dołowe),

• Zatłaczanie wód słonych otworami z powierzchni, w tym metoda bezpowrotnego zatłaczania do głęboko zalegajacych warstw oraz metoda recyrkulacji,

• Utylizacja (odsalanie wód)

Własności hydrogeologiczne skał:

Podstawowe własności skał:

- porowatość

- przepuszczalność hydrauliczna

- wodochłonność

- odsączalność

Porowatość - cecha utworów skalnych wynikająca z obecności w nich pustek wzajemnie skomunikowanych, dostępnych dla przepływu. Ilościowo wyraża się ją współczynnikiem porowatości, rzadziej wskaźnikiem porowatości.

Współczynnik porowatości

Wskaźnik porowatości

Współczynnik porowatości efektywnej; n_e=(V_psk/V)·100%

Czynniki wpływające na wielkość porowatości w skałach luźnych:

- wysortowanie ziaren

- sposób ułożenia ziaren

- kształt ziaren

- stopień cementacji

Klasyfikacja porów:

- nadkapilarne b>0,5mm

- kapilarne 0,5>b>0,0002mm

- subkapilarne b<0,0002mm

Szczelinowatość - Cecha utworów skalnych wynikająca z obecności w nich (w warunkach naturalnych) sieci spękań i szczelin. Szczelinę charakteryzuje mierzalny parametr - rozwarcie.

Genetycznie wyróżniamy szczeliny:

- syngenetyczne - tworzą się wskutek działania sił wewnętrznych w procesie powstawania skały; -

- tektoniczne- tworzą się wskutek ciśnień zewnętrznych podczas ruchów górotwórczych;

- wietrzeniowe - powstające w wyniku wietrzenia fizycznego;

-odprężeniowe - powstające wskutek zmian ciśnienia górotworu.

Ze względu na możliwość gromadzenia i przewodzenia wód podziemnych wyróżniamy szczeliny: nadkapilarne (b>0,25mm), kapilarne(0,25>b>0,0001mm) i subkapilarne (b<0,0001mm).

Gęstość liniowa skały - ilość szczelin na długość Gl=n/l

Gęstość powierzchniowa szczelin - długość szczeliny na danej powierzchni Gp=Σl/F

Współczynnik szczelinowatości d - Stosunek sumarycznej powierzchni szczelin do rozpatrywanej powierzchni skały wyrażony w %. d=G_p·b_śr

-niespękane d<0,5%, słabo spękane 0,5<d<4%, średniospękane 4<d<12%, silnie spękane d>12%

Krasowatość - Właściwość skały wynikająca z obecności w niej pustek powstałych na drodze ługowania skał łatwo rozpuszczalnych: wapieni, dolomitów, gipsów, soli kamiennej.

Przepuszczalność - zdolność do przewodzenia płynów przez skały

Współczynnik filtracji k - parametr wyrażający przepuszczalność ośrodka izotropowego dla płynu jednorodnego, za jaki przyjmowana jest woda. Fizycznie wyraża prędkość filtracji przy Δh=1 pod warunkiem, że filtracja podlega liniowemu prawu Darcy. V=k·( Δh/L)

Współczynnik przepuszczalności kp - Parametr wyrażający przepuszczalność samego ośrodka porowatego niezależnie od właściwości płynu. Fizycznie wyraża objętość płynu o jednostkowej lepkości kinematycznej, który w jednostce czasu, pod wpływem jednostkowego gradientu potencjału ciśnienia przepływa przez jednostkowy przekrój ortogonalny do kierunku przepływu (jednostką jest darcy)

Współczynnik przewodności T - T=k·m , jest równa iloczynowi współczynnika filtracji i miąższości warstwy wodonośnej

Wodochłonność - Zdolność utworów skalnych do pochłaniania i gromadzenia wody. Wyraża się ją stosunkiem

objętości wody Vw wypełniającej próżnie do całkowitej objętości skały V.

Odsączalność - definiuje zdolność skały całkowicie nasączonej do oddania wody wolnej pod wpływem siły grawitacji. Jako szczególny przypadek wyróżnia się odsączalność sprężystą, która opisuje ilość wody oddawanej przez skały przy zmianie ciśnienia hydrostatycznego.

-Współczynnik odsączalnośi S=Vw/Vs

-Stopień odsączenia So=S/P, So=0,1

Przesączanie - przepływ wody pionowy przez strefę aeracji związany z wsiąkaniem i infiltracją. Terminy przesiąkanie i przeciekanie zachowuje się dla ruchu wody w strefie saturacji

Przesiąkanie, przeciekanie - przepływ wody podziemnej pionowy. W szerokim znaczeniu obejmuje przesączanie w strefie aeracji oraz przesiąkanie właściwe w strefie saturacji (przesiąkanie, przeciekanie w węższym znaczeniu). P. międzypoziome jest wywołane przez różnicę ciśnień, odbywa się od części zbiornika o słabszej przepuszczalności (odpływ z przesiąkania - out) do części o lepszej przepuszczalności. Zwykle jest to pionowy przepływ przez utwory słabo przepuszczalne (dopływ z przesiąkania - into). P. wewnętrzne to przepływ wody z porów do szczelin, kawern krasowych lub z drobnych szczelin (mikroszczelin) do szerszych szczelin kawern. Zachodzi w utworach o niejednorodnej przestrzeni hydrogeologicznej (porowo-szczelinowej, szczelinowej o zróżnicowanej szerokości szczelin, szczelinowo-krasowej).

Pojęcia związane ze strukturą skał

Struktura - określa układ ziarn cząstek w gruncie, jest to zespół cech skały zależny od stopnia wykrystalizowania jej składników, kształtu i wielkości ziarn minerałów. Może być krystaliczna, blaszkowa, drobnoziarnista, iłowa, okruchowa, komórkowa. Wyróżniające cechy odnoszą się do skał: magmowych, osadowych i metamorficznych.

Tekstura - określa pewną regularną niejednorodność występującą w gruncie. Jest to zespół cech zewnętrznych, makroskopowych cech skał wynikających z:

- sposobu przestrzennego ułożenia,

- stopnia wypełnienia przez nie przestrzeni zajmowanej przez skałę

- może być bezkierunkowa, falista, gąbczasta, łupkowa, zbita, brukowa itd.

Strumień wody podziemnej

Strumień - zbiór wszystkich strug przechodzących przez dowolne pole F o skończonych wymiarach.

Ruch laminarny - jest to ruch, w którym cząsteczki cieczy przepływającej przez jeden i ten sam punkt przestrzeni przesuwają się zawsze po tej samej trajektorii. Jest to ruch, w którym linie prądu są do siebie równoległe.

Ruch turbulentny - ruch nie spełniający powyższych warunków. Ruch w którym występują:

- ruchy poprzeczne strugi,zjawiska wirowania, pulsacji i mieszania się oddzielających się strug cieczy

Ruch ustalony - ruch przy którym prędkość i ciśnienie w danym punkcie strumienia nie zmieniają się w czasie i zależą tylko od położenia punktu obserwacji. Dzielimy go na:

- ruch równomierny (jednostajny -w którym, parametry hydrauliczne nie zmieniają się wzdłuż drogi

- ruch nierównomierny (zmienny)-w którym, wzdłuż drogi zmieniają się: przekrój strumienia, przy stałym przekroju zmienia się prędkość i przyśpieszenie lub też zmieniają się oba te elementy

Ruch wolnozmienny - jest to ruch cieczy ustalony nierównomierny spełniający warunki:

- krzywizny elementarnych strug są na tyle nieznaczne, że można je uważać za prostolinijne

- kąt rozchodzenia się elementarnych strug jest bardzo mały

Przy spełnieniu tych warunków przekrój strumienia można uznać za płaski

Ruch nieustalony (nietrwały) - prędkość i przyspieszenie zmienia się w czasie.

---