WPŁYW USKOKÓW NA PRZEPŁYW WÓD PODZIEMNYCH W GŁÓWNYM ZBIORNIKU WÓD PODZIEMNYCH GLIWICE 330

Transkrypt

1 WPŁYW USKOKÓW NA PRZEPŁYW WÓD PODZIEMNYCH W GŁÓWNYM ZBIORNIKU WÓD PODZIEMNYCH GLIWICE 330 Sławomir Sitek, Andrzej Kowalczyk Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Zakład Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej, ul. Będzińska 60, Sosnowiec, slawomir.s.sitek@us.edu.pl; andrzej.kowalczyk@us.edu.pl Wprowadzenie Przepływ wód podziemnych w systemach wodonośnych zbudowanych ze skał węglanowych ze względu na olbrzymią niejednorodność (potrójna porowatość krasowo-szczelinowo-porowa) należy do najbardziej skomplikowanych. Dodatkowo przepływ ten jest niejednokrotnie jeszcze bardziej złożony, gdy w wyniku procesów tektonicznych górotwór zostanie podzielony siecią uskoków. Najogólniej uskoki mogą modyfikować przepływ wód podziemnych na trzy sposoby: 1) powstanie uprzywilejowanych dróg przepływu w strefie uskokowej, 2) tworzenie barier hydraulicznych, 3) powstanie złożonego systemu będącego połączeniem dwóch pierwszych sposobów. Przeprowadzone badania wpływu uskoków na przepływ wód podziemnych zostały wykonane za pomocą modelu numerycznego dla Głównego Zbiornika Wód Podziemnych (GZWP) Gliwice, zbudowanego za pomocą programu FEFLOW. 1. Obszar badań Główny Zbiornik Wód Podziemnych (GZWP) Gliwice to jeden z pięciu wyodrębnionych zbiorników węglanowych GZWP na obszarze triasu śląsko-krakowskiego. Jest to kompleks wodonośny zbudowany ze skał węglanowych triasu (wapienia muszlowego i retu), rozciągający się na powierzchni ponad 400 km 2 w centralno-zachodniej części województwa śląskiego. 69

2 GZWP Gliwice to bardzo niejednorodny system wodonośny, na co wpływa duża zmienność litologiczna warstw skalnych, tektonika dysjunktywna oraz skomplikowana sieć hydrauliczna, krasowo-szczelinowo-porowa. Przepływ wód podziemnych w tym zbiorniku poza warunkami naturalnymi jest silnie modyfikowany przez intensywny pobór wód ujęciami komunalnymi, wpływ urbanizacji oraz drenaż górniczy sztolniami odwadniającymi w rejonie miasta Tarnowskie Góry. 2. Budowa modelu Spośród różnorodnych podejść stosowanych przez geologów strukturalnych i hydrogeologów zajmujących się hydrogeologią stref uskokowych (Bense i in., 2013) powszechnie wykorzystuje się metody oparte na budowie numerycznych modeli przepływu. Model 2D dla GZWP Gliwice został wykonany w programie FEFLOW, bazującym na elementach skończonych, dlatego podczas tworzenia siatki dyskretyzacyjnej wzdłuż zaimportowanych uskoków z modelu strukturalno-geologicznego (Sitek, Kowalczyk, Małolepszy, 2009) z łatwością dokonano automatycznego zagęszczenia siatki. W ten sposób udało się zasymulować wewnętrzną i zewnętrzną strefę uskokową (z ang. damage zone and fault core) bez jednoczesnej potrzeby zagęszczenia siatki w pozostałych obszarach modelu. Zabieg ten przyczynił się także do skrócenia czasu obliczeń. Zbudowany ze skał węglanowych triasu zbiornik wód podziemnych na modelu jest poprzecinany dwoma systemami uskoków. Pierwszy system o kierunku w przybliżeniu południkowym charakteryzuje się mniejszymi zrzutami, do około 30 m. Drugi system uskoków ma przebieg zbliżony do równoleżnikowego i wielkości zrzutów przekraczających 50 m. Porozcinana pokrywa mezozoiczna tworzy skomplikowany układ strukturalny, gdzie można wyróżnić mniejsze struktury geologiczne: zręby i rowy. Ich przebieg słabo zarysowuje się na powierzchni stropowej serii skał węglanowych, na co wpływ miały późniejsze procesy erozyjne, ale jest dobrze widoczny na powierzchni spągowej tych skał (rys. 1) lub na granicy pomiędzy utworami wapienia muszlowego i retu. Łącznie na modelu zasymulowano istnienie 30 uskoków. Początkowo podczas kalibracji modelu próbowano w strefach uskokowych stosować takie same parametry określające przepływ, jak w obszarach sąsiednich. Celem tego postępowania była próba dokonania oceny, czy możliwe jest odwzorowanie warunków przepływu wód podziemnych w GZWP Gliwice, bez uwzględnienia wpływu stref uskokowych. Szybko jednak okazało się, że reżim przepływu wód w GZWP Gliwice jest silnie modyfikowany w strefach uskokowych, co szczególnie wyraźnie zaznacza się w obrębie dużych ujęć wód podziemnych, generujących duże spadki hydrauliczne. W obszarach tych uzyskanie odpowiedniego rozkładu wysokości hydraulicznych i gradientów bez odwzorowania uskoków jako barier półprzepuszczalnych, było niemożliwe. Odwzorowanie uskoku jako bariery hydraulicznej było symulowane na modelu poprzez modyfikacje wartości współczynnika filtracji. 70

3 Rys. 1. Rozmieszczenie uskoków na modelu wraz z lokalnymi strukturami geologicznymi, na tle spągu GZWP Gliwice 3. Wyniki badań Badania modelowe dowiodły, że poprawne przedstawienie warunków przepływu wód podziemnych w zbiorniku GZWP Gliwice jest możliwe jedynie wówczas, gdy na modelu jest uwzględniony wpływ uskoków. Parametry i cechy opisujące układ krążenia wód podziemnych na modelu, takie jak wysokość hydrauliczna, gradient hydrauliczny, kierunki przepływu wody czy depresje w studniach pompujących wodę, znacznie lepiej odwzorowują rzeczywiste warunki w systemie wodonośnym, gdy strefy uskokowe są odwzorowane jako bariery hydrauliczne. Spośród 30 uskoków odwzorowanych na modelu jedynie pięć nie powodowało zaburzeń rozkładu wysokości hydraulicznej. Prawdopodobnie są obojętne dla ukształtowania układu krążenia wód w GZWP Gliwice. Analizując oddziaływanie uskoku w obrębie samej strefy uskokowej, można zauważyć, że duży wpływ na możliwość dokonania oceny ma położenie powierzchni uskokowej względem kierunku przepływu wód. Badania wskazują, że często ta sama strefa uskokowa może zachowywać się jak bariera hydrauliczna dla przepływu wód prostopadłego do uskoku i jak strefa uprzywilejowanego przepływu, gdy kierunek przepływu jest równoległy do uskoku. Jest to uwarunkowane przede wszystkim anizotropią skał, która jest nieodłączną cechą stref uskokowych. 71

4 Przykładowy wpływ stref uskokowych w zbiorniku gliwickim został pokazany na rysunku 2. Prędkości przepływu Darcy oraz kierunki przepływu wody wyznaczone za pomocą wektorów w węzłach siatki dyskretyzacyjnej modelu różnią się znacząco wzdłuż powierzchni uskokowej w stosunku do obszaru przyległego. Najmniejsze prędkości przepływu wody, co najmniej o jeden rząd wielkości mniejsze w stosunku do otaczającego obszaru, występują w centrum strefy uskokowej. We wschodniej części analizowanego obszaru, gdzie dominuje przepływ prawie równoległy w stosunku do strefy uskokowej, gradienty hydrauliczne są niewielkie. W najbliższych węzłach po obu stronach uskoku różnice wysokości hydraulicznej wynoszą około 0,15 m. Zmiana kierunku przepływu w zachodniej części analizowanego uskoku z E-W na ENE-WSW powoduje, że uskok, blokując przepływ wód podziemnych, podpiętrza znacząco poziom wód, co jednocześnie wpływa na różnicę wysokości hydraulicznych po obu stronach uskoku, która dla najbliższych węzłów wynosi 1,9 m. Rys. 2. Rozkład pola prędkości Darcy i kierunki przepływu wody w strefie uskokowej Duże spadki hydrauliczne powstałe w wyniku uskoków utrudniających przepływ wód podziemnych są łatwo rozpoznawalne na mapie ze zwierciadłem wód podziemnych, otrzymanej w wyniku badań modelowych (rys. 2). Hydroizohipsy, dochodząc do uskoku, zmieniają kierunek i stają się w zależności od stopnia utrudnienia przepływu (od wielkości oporu hydraulicznego) mniej lub bardziej równoległe do powierzchni uskokowej, a ponadto ulegają odpowiedniemu zagęszczeniu. Dokonanie tych obserwacji na podstawie mapy hydroizohips stworzonej w wyniku przeprowadzonego kartowania hydrogeologicznego jest możliwe tylko w przypadku istnienia stosunkowo blisko po obu stronach uskoku odpowiedniej liczby otworów obserwacyjnych. Natomiast wykonane badania modelowe pozwoliły także na określenie wpływu uskoków na przepływ wód podziemnych, nawet tych, wokół których nie ma dobrego rozpoznania hydrogeologicznego. Możliwość taka zaistniała dzięki pracy wielu ujęć w obszarze badań. Uzyskanie odpowiedniej depresji w studni było często możliwe tylko wtedy, 72

5 gdy uskoki znajdujące się w obszarze spływu wód do ujęcia pełniły rolę barier hydraulicznych. Przykładowo w rejonie jednej ze studni ujęcia Gliwice-Łabędy nieuwzględnienie wpływu uskoków powodowało, że nawet przy bardzo niskich współczynnikach filtracji depresja zwierciadła wody w studni odwzorowana na modelu była o ponad 4 metry mniejsza niż obserwowana w rzeczywistości. Z drugiej strony, kiedy studnia zlokalizowana jest w strefie spękań towarzyszących uskokom i dodatkowo obszar spływu wód do ujęcia nie przebiega przez strefy uskokowe, lecz uskok zlokalizowany jest dopiero poniżej czynnej studni na odpływie, powodując podpiętrzenie wody, wówczas ujęcie może osiągać bardzo duże wydajności przy jednocześnie niewielkiej depresji. Przykładowo studnia nr IV na ujęciu Zawada, pracując z wydatkiem ponad 700 m 3 /h, wytwarza zaledwie 4-metrową depresję w studni. Jeśli jednak studnie zlokalizowane są w linii uskoku lub bardzo blisko jego centrum (z ang. fault core), wówczas studnie osiągają bardzo małe wydajności przy jednocześnie bardzo dużych depresjach, jak np. studnia pompująca wodę dla Aquaparku w Tarnowskich Górach czy studnie zlokalizowane we wsi Połomia. Wydatek jednostkowy dla tych studni nie przekracza 0,5 m 3 /h na 1 metr depresji. Analizując wpływ uskoków na układ krążenia wód podziemnych w skali GZWP Gliwice, można zauważyć, że ich oddziaływanie nie ogranicza się tylko do modyfikowania przepływu wód podziemnych, ale także do modyfikacji rozmiarów obszarów stref zasilania. Przykładowo powstanie zapadliska Pyskowic umożliwiło w tym obszarze depozycje dużej miąższości skał młodszych, w tym przede wszystkim słabo przepuszczalnych skał miocenu, co istotnie zmniejszyło możliwość bezpośredniego zasilania wód podziemnych na tym obszarze. W przeciwieństwie do rowów tektonicznych, na zrębach lub na skrzydle wiszącym uskoku słabo przepuszczalne skały nadkładu mają mniejsze miąższości lub w ogóle nie występują, co stworzyło korzystniejsze warunki zasilania triasowego zbiornika wód podziemnych. Z zaleganiem skał wodonośnych na dużych głębokościach, w rowach tektonicznych, wiąże się także zmniejszający się z głębokością współczynnik filtracji. Na przykład współczynniki filtracji w środkowej części rowu Pyskowic są rzędu m/s, a wydatek jednostkowy usytuowanych tam studni wynosi od 0,38 m 3 /h na 1 m depresji do niespełna 1 m 3 /h na 1 m depresji. Słaby dopływ wody do studni jest tu dodatkowo utrudniony przez system uskoków ograniczających ten rów (zapadlisko). Uskoki działają jak bariery hydrauliczne spowalniające dopływ wód do zapadliska Pyskowic z trzech kierunków: od północy, południa i wschodu. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/N/ST10/ Prace badawcze dotyczące budowy modelu strukturalnego zrealizowano w ramach projektu MNiSW nr NN Literatura BENSE V.F., GLEESON T., LOVELESS S.E., BOUR O., SCIBEK J., 2013 Fault zone hydrogeology. Earth- Science Reviews, 127: SITEK S., KOWALCZYK A., MAŁOLEPSZY Z., 2009 Szczegółowy model struktury 3D zbiornika GZWP Gliwice nr 330. Biul. PIG-PIB, seria Hydrogeologia, 436: