Projekt nr 3:

OCENA PODATNOŚCI WÓD PODZIEMNYCH
NA ZANIECZYSZCZENIA

Projekt nr 3
Punktacja
Podpis

1. Wstęp teoretyczny

Wody infiltracyjne (meteoryczne) są to wody podziemne odnawialne powstałe w wyniku infiltracji wód powierzchniowych.

Infiltracja, czyli wsiąkanie opadów atmosferycznych do podłoża skalnego odgrywa podstawową rolę w zasilaniu wód krążących w litosferze i biorących udział w obiegu wody w przyrodzie. Ilość wody infiltrującej do podłoża skalnego jest zależna od czynników klimatycznych i własności infiltracyjnych terenu.
Do czynników klimatycznych M. Wacławski zalicza w szczególności:

• wysokość opadów i ich rozkład w czasie,

• temperaturę,

• wilgotność powietrza.

Własności infiltracyjne mające wpływ na ilość wody infiltrującej do podłoża skalnego to:

• przepuszczalność skał w strefie przypowierzchniowej,

• nachylenie powierzchni terenu (im większe nachylenie, tym większa część opadu transformuje się w odpływ powierzchniowy),

• pokrycie szatą roślinną (gęsta szata zmniejsza spływ powierzchniowy),

• zagospodarowanie terenu (zabudowa miejska zmniejsza infiltrację, uprawy rolne intensyfikują ten proces),

• przemarzanie skał zmniejszające przepuszczalność podłoża,

• stopień wcześniejszego nasycenia skały wodą.

W szczególnych przypadkach np. w wyniku podziemnej eksploatacji górniczej w infiltracji mogą brać udział wody powierzchniowe rzek i jezior. Infiltracja wód powierzchniowych może być również wywołana sztucznie np. w celu uzupełnienia zasobów eksploatowanych wód podziemnych.

Jak podaje A. Rodzoch czas przesączania wody lub migracji zanieczyszczeń konserwatywnych z powierzchni terenu do warstwy wodonośnej stanowi podstawę oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie.

W metodzie analizy czasu pionowej migracji zanieczyszczeń konserwatywnych z powierzchni terenu do warstwy wodonośnej czas ten jest sumą czasu przesączania przez strefę aeracji i czasu przesiąkania przez głębszą pokrywę ochronną:

gdzie:

t_a - czas przesączania przez strefę aeracji,
t_p - czas przesiąkania przez głębszą pokrywę ochronną.

Czas przesączania przez strefę aeracji liczy się zgodnie z formułą zaproponowaną przez Witczaka i Żurek:

gdzie:

t_a - czas przesączania w latach [a],
m_i - miąższość kolejnych warstw strefy aeracji [m],
(w­₀)_i­ - przeciętna wilgotność objętościowa kolejnych warstw strefy aeracji [-],
I - infiltracja efektywna w głąb profilu glebowego (wartość zależna od opadu
i wskaźnika infiltracji gruntów powierzchniowych) [m/a].

Czas przesiąkania przez głębszą pokrywę ochronną liczy się według wzoru
dla warunków naporowych:

gdzie:

t_p - czas przesiąkania [a],
m - miąższość kompleksu słabo przepuszczalnego [m],
n_e - współczynnik porowatości [-],
k - współczynnik filtracji [m/a],
ΔH - różnica wysokości hydraulicznych [m].

W przypadku gdy kompleks izolujący ujmowaną warstwę wodonośną składa się z wielu różnych przewarstwień o znacznie różniących się wartościach n_e i k stosuje się rozwinięcie powyższego wzoru zaproponowane przez Macioszczyka:

gdzie:

t_p - czas przesiąkania [a],
m_i - miąższość klejnych przewarstwień kompleksu słabo przepuszczalnego [m],
k_i - współczynnik filtracji dla poszczególnych przewarstwień [m/a],
n_ei - współczynnik porowatości efektywnej dla kolejnych przewarstwień [-],
ΔH=Hg-Hn - różnica wysokości hydraulicznych [m],
Hg - wysokość zwierciadła wody w warstwie o warunkach swobodnych [m],
Hn - wysokość zwierciadła wody w warstwie o warunkach naporowych [m],
i - od 1 do n, numer kolejnego przewarstwienia,
n - liczba przewarstwień.

W przypadku braku informacji o różnicy naporów hydraulicznych
w analizowanych warstwach wodonośnych dopuszcza się stosowanie przybliżonej oceny czasu przesączania przez nakład izolujący na podstawie sumarycznej miąższości osadów słabo przepuszczalnych. W przybliżeniu, w metodzie tej można przyjmować, że 1,0m osadów słabo przepuszczalnych odpowiada czasowi przesączenia równemu 0,5 roku.

Czas przesączania obliczony zgodnie z powyższym schematem pozwala określić klasę naturalnej podatności i klasę zagrożenia analizowanego poziomu wodonośnego na zanieczyszczenie według tabeli nr 1.

Tabela 1.

Średni czas migracji wody z powierzchni terenu do stropu warstwy wodonośnej w latach	Symbol klasy	Klasa zagrożenia wód podziemnych	Klasa podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie	Klasa odporności wód podziemnych na zanieczyszczenie
>2	A1	bardzo silnie zagrożone	bardzo wysoka	bardzo niska
2-5	A2	silnie zagrożone	wysoka	niska
5-25	B	średnio zagrożone	średnia	średnia
25-100	C	słabo zagrożone	niska	wysoka
>100	D	praktycznie nie zagrożone	bardzo niska	bardzo wysoka

2. Dane

W ramach niniejszego projektu wykonano obliczenia czasu przesączania
dla wybranych profili geologicznych - profilu geologicznego otworu O-1 i profilu geologicznego otworu O-2. Profile geologiczne rozpatrywanych otworów sporządzono na podstawie danych zebranych podczas przeprowadzonych prac wiertniczych. Prace te pozwoliły na uzyskanie szczegółowych informacji dotyczących litologii i głębokości spągu poszczególnych warstw. Ponadto określono wskaźnik infiltracji i wilgotność objętościową gruntów tworzących kolejne warstwy, a także pomierzono głębokości występowania nawierconego i ustabilizowanego zwierciadła wód podziemnych. Wszystkie uzyskane informacje zestawiono w tabeli nr 2 i tabeli nr 3 zamieszczonych poniżej. Profil geologiczny otworu O-1 składa się
z 5 warstw. Natomiast profil geologiczny otworu O-2 złożony jest z 4 warstw. Zapis poziomu zwierciadła wody w przypadku profilu geologicznego otworu O-2 oznacza, że w pierwszych 5 latach poziom ten wynosił 40 m ppt, natomiast po tym czasie odnotowano podniesienie się zwierciadła do poziomu 41 m ppt. Opad wynosi 680mm.

Tabela 2.

PROFIL GEOLOGICZNY OTWORU O-1
litologia	wilgotność objętościowa	wskaźnik infiltracji	głębokość spągu w-twy
Ps	8	0,25	2,97
Nm	44	0,20	4,59
Pd	10	0,25	16,20
Ps	8	0,25	23,22
Wapień	3	0,12	45,90
zw wod nawierc/ustab [m ppt]			24,3

Tabela 3.

PROFIL GEOLOGICZNY OTWORU O-2
litologia	wilgotność objętościowa	wskaźnik infiltracji	głębokość spągu w-twy
Pd	10	0,25	5,67
Pg	24	0,20	8,64
GG	32	0,06	40,50
Ps	8	0,25	56,70
zw wod nawierc/ustab [m ppt]			41/40

3. Opracowanie projektu

Projekt ma na celu obliczenie czasu przesączania wody
z powierzchni terenu do warstwy wodonośnej na podstawie danych zamieszczonych w tabeli nr 2 i tabeli nr 3. Obliczony czas przesączania pozwoli na dokonanie oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie.

Obliczenie czasu przesączania dla otworu O-1:

W celu określenia czasu przesączania na podstawie znajomości głębokości spągu kolejnych warstw obliczono ich miąższość:

m_Ps=2,97m

m_Nm=4,59-2,97=1,62m

m_Pd=16,20-4,59=11,61m

m_Ps=23,22-16,20=7,02m

m_wapień=45,90-23,22=22,68m

m_{wapień (a)}=24,30-23,22=1,08m

Następnie z profilu geologicznego otworu O-1 odczytano przeciętną wilgotność objętościową kolejnych warstw strefy aeracji:

w_{0 Ps}=8

w_{0 Nm}=44

w_{0 Pd}=10

w_{0 Ps}=8

w_{0 wapień}=3

Znając wskaźnik infiltracji kolejnych warstw strefy aeracji i wielkość opadu (680 mm) wyliczono infiltrację efektywną w głąb profilu glebowego:

I­_Ps=680*0,25=170,0 m/a

I_Nm=680*0,20=136,0 m/a

I_Pd=680*0,25=170,0 m/a

I_Ps=680*0,25=170,0 m/a

I_wapień=680*0,12=81,6 m/a

Następnie ze wzoru:

gdzie:

m_i - miąższość i-tej warstwy strefy aeracji [m],
(w₀)_{i­ ­}- przeciętna wilgotność objętościowa i-tej warstwy strefy aeracji [-],
I - infiltracja efektywna w głąb profilu glebowego [m/a].

obliczono czas przesączania przez poszczególne warstwy strefy aeracji liczony
w latach:

Znając czasy przesączania przez poszczególne warstwy strefy aeracji obliczono całkowity czas przesączania ze wzoru Widczak - Żurek:

gdzie:

m_i - miąższość kolejnych warstw strefy aeracji [m],
(w₀)_{i­ ­}- przeciętna wilgotność objętościowa kolejnych warstw strefy aeracji [-],
I - infiltracja efektywna w głąb profilu glebowego [m/a].

t=t_Ps+t­_Nm+t_Pd+t_Ps+t_{wapień (a)}=0,14+0,52+0,68+0,33+0,04=1,71a

Obliczenie czasu przesączania dla otworu O-2:

W celu określenia czasu przesączania na podstawie znajomości głębokości spągu kolejnych warstw obliczono ich miąższość:

m_Pd=5,67m

m_Pg=8,64-5,67=2,97m

m_GG=40,50-8,64=31,86m

m_Ps=56,70-40,50=16,20m

Następnie z profilu geologicznego otworu O-2 odczytano przeciętną wilgotność objętościową kolejnych warstw strefy aeracji:

w_{0 Pd}=10

w_{0 Pg}=24

w_{0 GG}=32

w_{0 Ps}=8

Znając wskaźnik infiltracji kolejnych warstw strefy aeracji i wielkość opadu (680mm) wyliczono infiltrację efektywną w głąb profilu glebowego:

I­_Pd=680*0,25=170,0m/a

I_Pg=680*0,20=136,0m/a

I_GG=680*0,06=40,8m/a

I_Ps=680*0,25=170,0m/a

Następnie ze wzoru:

gdzie:

m_i - miąższość i-tej warstwy strefy aeracji [m],
(w₀)_{i­ ­}- przeciętna wilgotność objętościowa i-tej warstwy strefy aeracji [-],
I - infiltracja efektywna w głąb profilu glebowego [m/a].

obliczono czas przesączania przez poszczególne warstwy strefy aeracji liczony
w latach:

Czas przesączania przez warstwę gliny gliniastej znacznie przekracza okres 5 lat, oznacza to, że obliczając całkowity czas przesączania musimy wziąć pod uwagę poziom zwierciadła wody odnotowany po pierwszych 5 latach (41 m ppt).

W tym celu obliczamy miąższość warstwy piasku średniego w strefie aeracji:

m_{Ps (a)}=41-40,50=0,5m

Następnie liczymy czas przesączania przez warstwę piasku średniego
w strefie aeracji:

Znając czasy przesączania przez poszczególne warstwy strefy aeracji obliczono całkowity czas przesączania ze wzoru Widczak - Żurek:

gdzie:

m_i - miąższość kolejnych warstw strefy aeracji [m],
(w₀)_{i­ ­}- przeciętna wilgotność objętościowa kolejnych warstw strefy aeracji [-],
I - infiltracja efektywna w głąb profilu glebowego [m/a].

t=t_Pd+t­_Pg+t_GG+t_Ps(a)=0,33+0,52+24,99+0,02=25,86a

4. Podsumowanie i wnioski

Znajomość czasu przesączania umożliwiła dokonanie oceny podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie, a także ich klasyfikację według klasy zagrożenia i odporności na zanieczyszczenie. Średni czas migracji wody z powierzchni terenu do stropu warstwy wodonośnej dla otworu O-1 wynosi w przybliżeniu 1 rok i 8 miesięcy. Wody takie możemy zakwalifikować do klasy A1, co oznacza, że są to wody bardzo silnie zagrożone. Ich klasa podatności na zanieczyszczenie jest bardzo wysoka, natomiast klasa odporności na zanieczyszczenie bardzo niska. Czas migracji wody z powierzchni terenu do stropu warstwy wodonośnej dla otworu O-2 jest znacznie dłuższy niż w przypadku otworu O-1 i wynosi on w przybliżeniu 25 lat i 10 miesięcy. Wody takie możemy zaliczyć do klasy C. Wody tej klasy są słabo zagrożone i cechują się niską podatnością na zanieczyszczenie. Ich klasa odporności na zanieczyszczenie jest wysoka. Porównując obliczone czasy przesączania możemy zauważyć, że różnica między nimi wynika z budowy litologicznej terenu. Warstwa glin gliniastych wyróżniona w profilu geologicznym otworu O-2 zgodnie z podziałem utworów skalnych według własności filtracyjnych (wg Z. Pazdry) jest utworem półprzepuszczalnym. Czas przesączania przez warstwę glin gliniastych jest znacznie dłuższy niż w przypadku warstw dobrze i średnio przepuszczalnych. Długi czas przesączania wynika także z dużej miąższości tej warstwy. Rozpatrywana warstwa glin gliniastych chroni wody podziemne przed zanieczyszczeniem.

5. Literatura

• Rodzoch Andrzej, Zasady sporządzania dokumentacji określających warunki hydrogeologiczne w związku z projektowaniem dróg krajowych
  i autostrad - poradnik metodyczny, Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa, 2006;

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

---