Gospodarka Wodna. Wody Podziemne

Transkrypt

1 Gospodarka Wodna Wykład nr 7 Na podstawie podręcznika HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej OPRACOWAŁ dr hab.inż. Wojciech Chmielowski prof. PK Wody Podziemne 1. GŁÓWNE zbiorniki wód podziemnych w Polsce 2. SPOSOBY Wykorzystania wód podziemnych 3. WAHANIA i pomiary zwierciadła wód podziemnych 4. DYNAMIKA wód podziemnych

2 Główne zbiorniki wód podziemnych Podział obszaru Polski prowincja nizinna, prowincja górsko-wyżynna

3 Główny Zbiornik Wód Podziemnych (GZWP) 1. naturalny zbiornik wodny znajdujący się pod powierzchnią ziemi, 2. gromadzący wody podziemne i 3. spełniający szczególne kryteria ilościowe i jakościowe. GZWP mają strategiczne znaczenie w gospodarce wodnej kraju Parametry jakie musi spełniać GZWP: Wydajność studni > 70 m³/h Wydajność ujęcia > m³/dobę Liczba mieszkańców, którą może zaopatrzyć > Czystość wody nie wymagająca uzdatniania lub może być Uzdatniana w prosty sposób, aby być zdatną do picia Na terenie Polski wytypowano 180 GZWP a spośród nich wyodrębniono 53 zbiorniki najzasobniejsze.

4 Pasmo nadmorskie (prowincja nizinna) W paśmie tym wydzielono 30 zbiorników spełniających kryteria podstawowe Głównych Zbiorników Wód Podziemnych (GZWP) i dwa subzbiorniki (subzbiornik Warmia i subniecka gdańska). Łącze zasoby dyspozycyjne GZWP tego pasma wynoszą 2204,18 tys.m 3 /d. Zasoby wód najwyższych klas Ia i Ib wynoszą 244,5 tys. m 3 /d, co stanowi około 11%. Zasoby subniecki gdańskiej stanowią w tym około 5%. Łączne zasoby wód należących do klasy Ic wynoszą 592,18 tys. m 3 /d, a więc 26,87%. Łącznie zasoby wód należących do klas od Ia do Ic, a więc przydatnych do celów pitnych bez konieczności specjalnego uzdatniania, wynoszą około 38%. Znaczący jest udział wód klasy Id, wynoszący ponad 60% całkowitych zasobów wód w tym paśmie (1327,0 tys. m 3 /d).

5 Pasmo pojezierne (prowincja nizinna) W paśmie tym wyróżniono 31 zbiorników spełniających kryteria GZWP oraz 4 subzbiorniki spełniające także te kryteria. Łączne zasoby dyspozycyjne tego pasma wynoszą 4592,75 tys. m 3 /d, przy czym w zbiornikach jest zawarte 4265,75 tys. m 3 /d, zaś w subzbiomikach 327 tys. m 3 /d. Podobnie jak w paśmie nadmorskim udział wód klas Ia i Ib wynosi około 11%, a dokładnie 11,5%. Inna jest natomiast proporcja między wodami klas Ic i Id. Zasoby wód pierwszej z wymienionych klas wynoszą bowiem 3799,37 tys. m 3 /d, co stanowi 82,7% ogólnych zasobów GZWP pasma pojeziernego. Jedynie 5,60% zasobów należy do klasy Id, zaś 0,2%, tj. 8 tys. m 3 /d stanowią wody klasy II.

6 Pasmo równinne r (prowincja nizinna) W paśmie tym wyróżniono 17 zbiorników spełniających kryteria GZWP oraz 2 subzbiomiki spełniające te kryteria, w tym zbiornik o szczególnym znaczeniu, tj. subnieckę warszawską. Szczególne znaczenie wynika przede wszystkim z jej dużego rozprzestrzenienia (51 tys. km 2 ). Sumaryczne zasoby dyspozycyjne pasma równinnego wynoszą 2268,62 tys. m 3 /d. Wody klas Ia i Ib występują sporadycznie i ich udział w zasobach całkowitych jest niewielki. Jest to bowiem 12,5 tys.m 3 /d, co stanowi około 0,5% zasobów Wody klasy Ic stanowią około 96 % zasobów pasma, łącznie jest to 2176,12 tys. m 3 /d. Praktycznie nie stwierdzono tutaj występowania (poza zanieczyszczeniami punktowymi) wód klasy II, a wody klasy Id stanowią 3,5% zasobów całkowitych.

7 Pasmo przedkarpackie (prowincja nizinna) W paśmie tym według kryteriów indywidualnych wydzielono 10 zbiorników czwartorzędowych i 2 subzbiomiki trzeciorzędowe. Łączne zasoby dyspozycyjne wydzielonych GZWP wynoszą 305 tys.m 3 /d, a więc zdecydowanie niższe od zasobów pasm omówionych powyżej. Dominują w nich wody klasy Ic. Ich udział wynosi bowiem 84,07% (256,4 tys. m 3 /d). Bardzo mało jest wód klas Ia i Ib (1,9 tys. m 3 /d %). Stosunkowo dużo jest natomiast wód klasy Id, bo 46,7 tys.m 3 /d, tj. 15,31%. Najwięcej wód tej klasy (około 30 tys. m 3 /d) występuje w zbiorniku Dębica- Stalowa Wola-Rzeszów, w jej uprzemysłowionych częściach (Stalowa Wola, Dębica, Rzeszów, Łańcut). Obszary występowania wód niskich klas są związane przede wszystkim z zanieczyszczeniami antropogenicznymi.

8 Dwa subzbiomiki tego pasma zasługują na szczególne omówienie. Subzbiomik Staszów zawiera według w całości wody klasy Id i II. Częściowo jest to spowodowane naturalnymi podwyższonymi zawartościami SO 4 2-, zaś częściowo oddziaływaniem otworowej eksploatacji siarki w KS Grzybów. Subzbiomik Bogucice występujący w bezpośrednim sąsiedztwie Krakowa zawiera według przyjętych kryteriów w całości wody klasy Ic. O klasie wód tego zbiornika decyduje nieznacznie podwyższona, w stosunku do przyjętych kryteriów, zawartość Fe. Jak wiadomo nie jest to szkodliwy składnik wód, a przeciwnie jego obecność w pewnych koncentracjach jest korzystna i bardzo łatwo go usunąć w prostych procesach uzdatniania. Zbiornik ten powinien stanowić ważne i znaczące źródło zaopatrzenia Krakowa w wody pitne wysokiej jakości (Kleczkowski 1988 ). Jest to tym bardziej istotne, że w rejonie tej aglomeracji nie ma praktycznie większych zbiorników wód podziemnych o dobrej jakości.

9 Pasmo przedsudeckie (prowincja nizinna) W paśmie tym wyróżniono 6 zbiorników spełniających kryteria GZWP i 5 subzbiomików, z których 3 spełniają te kryteria. Łączne zasoby dyspozycyjne wód podziemnych GZWP tego pasma wynoszą 1034 tys. m 3 /d. Podobnie jak w paśmie równinnym wody klas Ia i Ib występują sporadycznie i stanowią zaledwie 2,42% (25 tys. m 3 /d). Zdecydowanie dominują wody klasy Ic, gdyż stanowią one 97,58% zasobów wód całego pasma, tj tys. m 3 /d. Wody klas najwyższych la i Ib występują w subzbiomiku trzeciorzędowym Prochowice - Środa.

10 Masyw Karpacki (prowincja górsko-wyżynna) Według kryteriów podstawowych w wewnętrznej części masywu wydzielono 2 zbiorniki: Zakopane i Nowy Targ. W zewnętrznej części masywu wydzielono według kryteriów indywidualnych 12 zbiorników w dolinach rzecznych i 7 w szczelinowo-porowych utworach fliszowych. Łączne zasoby 21 wydzielonych zbiorników wynoszą 395,1 tys.m 3 /d. Masyw karpacki jest jedną z niewielu jednostek hydrogeologicznych wydzielonych na podstawie zasad przyjętych w CPBP , w której dominują wody klas la i Ib. Łączne zasoby wód tych klas wynoszą 291,35 tys. m 3 /d, co stanowi 73,74%. Pozostałe tys. m 3 /d są to wody klasy Ic. Jak wynika z powyższych danych wody GZWP masywu karpackiego w całości są wodami dobrej jakości.

11 Masyw Sudecki (prowincja górsko-wyżynna) Według kryteriów podstawowych wydzielono w nim 4 zbiorniki (2 w utworach czwartorzędowych i 2 w utworach kredowych). Według kryteriów indywidualnych wydzielono 3 zbiorniki. Łączne zasoby wód masywu wynoszą 302 tys. m 3 /d. Podobnie jak w przypadku masywu karpackiego dominują wody klas najwyższych Ia i Ib (242 tys. m 3 /d). Pozostałe 60 tys. m 3 /d są to wody klasy Ic. Obszar Sudetów jest bardzo zagrożony tzw. "kwaśnymi deszczami". W przypadku jednego ze zbiorników (314 - Karkonosze) stwierdzono ph poniżej kryteriów dla wód klasy Ia. Wpływają na to krótkie drogi przepływu wód w zbiorniku oraz brak w utworach wodonośnych minerałów "buforujących" (np. węglanów). Podobnie jak w przypadku masywu karpackiego całkowite zasoby wód 7 wydzielonych zbiorników są niewielkie i za wyjątkiem niecek wewnętrzno- i zewnętrzno-sudeckiej nie mają większego praktycznego znaczenia. Klasa Ic w zbiorniku dolina rzeki Bóbr spowodowana jest ponadnormatywnymi zawartościami Fe i Mn, które w niektórych studniach całkowicie dyskwalifikują te wody.

12 Masyw Świętokrzyski (prowincja górsko-wyżynna) Według kryteriów podstawowych wydzielono w nim 13 zbiorników (4 w utworach dewonu, 2 triasu, 6 jury i l w utworach trzeciorzędowo-jurajskich). Łączne zasoby GZWP w tym masywie wynoszą 618,8 tys. m 3 /d. Ponad połowa są to wody klas Ia i Ib (392,4 tys. m 3 /d - 63,41%). Pozostałe 226,4 tys. m 3 /d to wody klasy Ic. Podobnie więc jak w innych masywach występują tutaj wody klas najwyżyszych a więc Ia, Ib i Ic. GZWP masywu świętokrzyskiego to wyłącznie zbiorniki szczelinowo-porowe i szczelinowo-krasowe. Wody podziemne GZWP masywu świętokrzyskiego są intensywnie eksploatowane od kilkudziesięciu lat. Podlegają także, na razie na skalę lokalna, drenażowi górniczemu. W związku z tym w niektórych GZWP w sąsiedztwie dużych ujęć obserwujemy infiltrację silnie zanieczyszczonych wód powierzchniowych w utwory wodonośne. Stanowi to główne źródło zagrożenia jakości zwłaszcza dewońskich GZWP omawianego masywu (Szczepański 1983).

13 Masyw Kujawski (prowincja górsko-wyżynna) Niecki Kredowe Monoklina krakowsko-śląska

14 I SPOSOBY WYKORZYSTANIA wód podziemnych 1. Rolnictwo Wody podziemne wykorzystywane są w szerokim stopniu do nawadniania terenów rolniczych oraz w produkcji zwierzęcej. Obecnie istnieją tendencje do budowania zintegrowanych systemów nawadniająco - odwadniających, które pozwolą na stworzenie optymalnych warunków dla rozwoju roślin.

15 Na terenach o suchym klimacie i znikomej ilości wód powierzchniowych, wody podziemne (szczególnie artezyjskie) są jedynym źródłem zaopatrzenia rolnictwa jak też ludności. Przykładem takich terenów jest Australia, kontynent na którym znajduje się największa niecka wód artezyjskich o średnicy ok km i miąższości 2 km. Zawiera ona ok. 1,6 mln km 3 wody. Schemat budowy niecki artezyjskiej: 1. Warstwa wodonośna 2. Warstwa nieprzepuszczalna 3. Obszar zasilania 4. Studnia artezyjska 5. Poziom równowagi hydrostatycznej 6. Studnia subartezyjska 7. Źródło artezyjskie Podobnie duże zbiorniki wód artezyjskich występują w środkowej części Sahary. Ujęcia wód na tych obszarach są podstawą istnienia osadnictwa i gospodarowania ziemią. Enklawy osadnicze na pustyni, skupione wokół studni artezyjskich lub naturalnych wysięków wód podziemnych, noszą nazwę oaz. Artesian_aquifer_scheme.svg.png&imgrefurl= JPNgrvjDJdacy_XpLWoKl3wzDzs=&h=157&w=300&sz=29&hl=pl&start=5&tbnid=C hdw_9vetrzjsm:&tbnh=61&tbnw=116&prev=/images%3fq%3dstudnie%2bartezyjskie%2bw%2baustralii%26um%3d1%26hl%3dpl%26sa%3dn%26rlz%3d1t4sunc_plpl355pl 356%26tbs%3Disch:1&um=1&itbs=1

16 ZAOPATRZENIE LUDNOŚCI W WODĘ PITNĄ 2. Wody podziemne wykorzystywane są do zaopatrzenia ludności przeważnie na terenach wiejskich i małych miast. Duże ośrodki miejskie posiadają najczęściej systemy zaopatrzenia w wodę zasilane wodami powierzchniowymi np.: Warszawa, Wrocław - zasilane wodami rzecznymi, Szczecin, Olsztyn - zasilane wodami jeziornymi.

17 Na terenach, gdzie brakuje dużych rzek czy jezior miasta korzystają z zasobów wód podziemnych np. : Lublin. Wszystkie wody wykorzystywane do celów pitnych muszą być poddawane procesom uzdatniania, polegającym na dostosowaniu ich własności i składu do wymagań wynikających z ich przeznaczenia. Wody podziemne w Polsce posiadają na ogół dobre właściwości fizykochemiczne. Najczęściej przekroczone są normy dotyczące dopuszczalnych ilości manganu i żelaza. Woda jest wykorzystywana przez ludzi do spożycia oraz do potrzeb gospodarczych. Tylko 3% wód w sieciach wodociągowych jest spożywane. Pozostała część wody jest wykorzystywana na inne cele. Struktura zużycia wody w gospodarstwie domowym

18 3. Przemysł Istnieją gałęzie przemysłu wymagające dostarczania do procesów technologicznych wody o jakości odpowiadającej wodzie pitnej. Są to zakłady przemysłu spożywczego: piekarnie, browary, gorzelnie, mleczarnie, krochmalnie, zakłady produkcji konserw oraz przemysł farmaceutyczny. Woda podziemna jest używana do procesów produkcyjnych także w innych gałęziach przemysłu: papiernictwo, hutnictwo, przemysł wydobywczy, energetyka i in.

19 4. Energetyka Geotermalna Złoża wód geotermalnych wykorzystywane są w elektrowniach i ciepłowniach geotermalnych. Wody w geotermi mogą być zagospodarowane na dwa sposoby: po odebraniu energii cieplnej schłodzone wody są zrzucane do wód powierzchniowych lub zawracane ponownie do złoża. Drugi sposób jest korzystniejszy dla środowiska, ponieważ z reguły wody te odznaczają się wysoką mineralizacją i zrzuty do środowiska powodują zasolenie wód powierzchniowych. Poza tym zawracanie wody do złoża sprawia, iż nie są naruszane zasoby tych wód.

20 Największe wykorzystanie wód pod tym względem istnieje w Chinach. W Polsce warunki geologiczne pozwalają wykorzystanie tego typu w rejonach: szczecińskim, łódzkim, żyrardowskim, podhalańskim. Projekty geotermalne zrealizowano w : Pyrzycach na Pomorzu Zachodnim, Białym Dunajcu, Bukowinie Tatrzańskiej, Zakopanem na Podhalu, Mszczonowie. Wprowadzanie tego typu źródeł ciepła przyczynia się do eliminacji kotłowni opalanych węglem i znacząco wpływa na poprawę jakości powietrza. termia1/geotermia04.jpg

21 Mapa zasobów geotermalnych Polski na głębokości 3000m geotermia_polska_1.jpg

22 5. Lecznictwo i Rekreacja Termin "wody lecznicze" określa wody podziemne mineralne lub słabo zmineralizowane, bakteriologicznie i chemicznie bez zarzutu o niewielkich wahaniach składu chemicznego i własności fizycznych, o właściwościach leczniczych udowodnionych na podstawie badań naukowych lub długotrwałej obserwacji lekarskiej. Dział medycyny zajmujący się badaniem właściwości leczniczych wód podziemnych nosi nazwę balneologia. Wody lecznicze stosuje się w kuracjach pitnych, kąpielowych i irygacyjnych.

23 Wykorzystuje się je do produkcji ubocznych środków leczniczych: soli kąpielowych, tabletek zawierających węglan sodu. Wody lecznicze występują w ponad 60 miejscowościach, z czego ponad 50 przypada na południowy obszar kraju, obejmujący Sudety, Karpaty i leżące przed nimi zapadliska. Duży problem stanowią wykorzystane wody lecznicze. Najczęś ęściej zrzucane są do wód powierzchniowych, przyczyniając się do ich degradacji.

24 Wody termalne czerpane w ujęciach sztucznych, jak też wypływające na powierzchnię w sposób naturalny w formie gorących źródeł - cieplic, mogą być spożytkowane do celów rekreacyjnych np. do budowy basenów kąpielowych, parków wodnych, urządzeń do hydromasażu. Przykładem kąpieliska zasilanego ciepłą wodą podziemną jest basen wybudowany w Zakopanem na Antałówce.

25 II WAHANIA I POMIARY zwierciadła wód podziemnych Różne działy gospodarki narodowej zainteresowane są w uregulowaniu stosunków wód podziemnych. W szczególności cała działalność melioracyjna skierowana jest na stworzenie właściwych dla rozwoju roślin warunków, ( rolnictwo) Regulacja stosunków wodnych w glebie polega na obniżeniu poziomu wód gruntowych na terenach lub w okresach o nadmiernym uwilgotnieniu i nawadnianiu terenów uprawnych w strefach lub Lata suche okresach niedostatecznej wilgoci. W okresie wegetacyjnym występują różne potrzeby wodne roślin, a jednocześnie z potrzebami tymi nie idą w parze naturalne zasoby wód podziemnych - ich poziom i opady.

26 Stąd konieczność okresowego obniżania poziomu wód gruntowych lub też konieczność nawodnienia terenu. Drugim działem gospodarki narodowej zainteresowanym w znajomości kształtowania się wód podziemnych jest budownictwo. Posadowienie budowli na terenach o wysokim poziomie wód gruntowych wymagać może odwodnienia wykopu fundamentowego na okres prowadzenia prac oraz konieczności dokładnej analizy wpływu wód gruntowych na budowlę w okresie eksploatacji. Bardzo często zachodzi konieczność stałego obniżania wód gruntowych albo zabezpieczenia budowli przed szkodliwym działaniem wody, w szczególności przed podtopieniem, zawilgoceniem, jak i przed niszczącym działaniem chemicznym wody na materiały konstrukcyjne

27 Pomiary zwierciadła wody podziemnej Pomiary zwierciadła wody podziemnej Określenie zmian głębokości występowania zwierciadła wody podziemnej należy do podstawowych zadań monitoringu. Do pomiaru głębokości zwierciadła wody podziemnej wykorzystuje się punkty, w których zwierciadło jest odsłonięte jak studnie, wykopy, szyby itp. Lub specjalne studzienki obserwacyjne - piezometry W punkcie badawczym należy założyć znak wysokościowy, nawiązany do państwowej sieci niwelacyjnej, od którego stale należy mierzyć głębokość zwierciadła wody gruntowej. Do pomiaru zwierciadła wody używane są : łata, pręt z podziałką, pływak, gwizdek studzienny (świstawka), świetlik studzienny, limnigraf

28 8&rlz=1I7GGLL_en&um=1&ie=UTF-8&source=og&sa=N&hl=pl&tab=wi&biw=1419&bih=751 Rzgw.gliwice.pl

29 Pomiar gwizdkiem studziennym Pomiar gwizdkiem studziennym Gwizdków używamy, gdy głębokość studni nie przekracza 50m, a sygnał dźwiękowy ze względu na natężenie hałasu w rejonie badań nie jest zagłuszany. Gwizdki studzienne to rury mosiężne lub innego nierdzewnego materiału o średnicy zewnętrznej 28 lub 36 mm. Długość gwizdka wynosi odpowiednio 22 lub 30 cm. Od dołu są otwarte, a góry zakończone rurką o średnicy około 10 mm z otworem gwizdkowym. Po zanurzeniu przyrządu do wody powietrze znajdujące się wewnątrz zostaje wyparte i wychodząc otworem gwizdkowym wydaje gwizd. Przyrząd zawiesza się zwykle na taśmie pomiarowej. Przy pomiarze stanu wody w studni należy opuścić gwizdek studzienny do wody, a usłyszawszy gwizd zaprzestać dalszego opuszczania, przyłożyć taśmę do znaku mierniczego i wykonać odczyt na taśmie.

30 Pomiar świetlikiem studziennym Pomiar świetlikiem studziennym lampa Pomiar świetlikiem stosujemy przy głębokościach przekraczających 50m, a także wówczas gdy z jakichkolwiek powodów sygnał dźwiękowy jest niesłyszalny. Bate ria Część środkowa świetlika studziennego ma wewnątrz małą lampkę elektryczną z urządzeniem kontaktowym i suchą baterią. W dolnej części znajdują się dwie kulki celuloidowe, które przy zanurzeniu przyrządu do wody unoszą się do góry naciskają sprężynę, powodują kontakt i świecenie lampki. Punkt zerowy umieszczony jest na ściance zewnętrznej na wysokości odpowiadającej takiemu zanurzeniu świetlika, przy którym lampka zaczyna świecić.

31 Graficzne odwzorowanie zwierciadła wody podziemnej Kształt zwierciadła wody podziemnej najlepiej odwzorowuje się za pomocą linii równych wysokości - izohips. Izohipsy zwierciadła wody gruntowej nazywamy hydroizohipsami /Stan/6.WodyPodziemne/q_ryc_2.jpg Przez izohipsę rozumiemy linię łączącą punkty swobodnego zwierciadła wody leżące na tej samej wysokości względem przyjętego poziomu odniesienia ( poziom morza) Wysokość zwierciadła wody określa się w różnych punktach badanego terenu w odsłonięciach wody ( naturalnych i sztucznych). Punkty pomiarowe i odpowiadające im wysokości zwierciadła wody nanosi się na plan a droga interpolacji wykreśla się hydroizohipsy.

32 ,0 148,0 150,0 148,0 146,0 144,0 140,0 150,0 Hydroizohipsa 148,0 m p.p.m 148,0 146,0 142,0 3 Z przebiegu i układu hydroizohips na mapie hydrogeologicznej można wnioskować o kształcie i wysokości zwierciadła wody podziemnej oraz o kierunkach przepływu wody podziemnej, które układają się wzdłuż linii największego spadku, tj. pod kątem prostym do hydroizohips 146,0 144,0 146, ,0 142,0 148,0 140,0 150,0 1

33 W przypadku wód pod ciśnieniem linie łączące jednakowe wysokości zwierciadła piezometrycznego nazywamy hydroizopiezami Głębokość zwierciadła wody podziemnej względem powierzchni terenu przedstawia się na mapie za pomocą linii zwanych hydroizobatami Hydroizobaty są to linie łączące punkty zwierciadła o jednakowej głębokości w stosunku do powierzchni terenu. Hydroizobaty wykreśla się w sposób podobny jak hydroizohipsy na podstawie głębokości zwierciadła wody w stosunku do powierzchni terenu, innymi słowy mapa hydroizobat przedstawia miąższość strefy areacji, jak również na podstawie izobat można wyznaczyć przybliżoną objętość złoża wódy podziemnej

34 Mapy tego rodzaju mają duże zastosowanie i duże znaczenie praktyczne przy rozwiązywaniu różnych zagadnień technicznych w budownictwie, rolnictwie, leśnictwie, górnictwie i innych działach gospodarki narodowej. 1m 1m

35 r 1 R 1 przybliżona objętość złoża wódy podziemnej wg. wzoru 1 V = 3,14 h ( 2 2 R + r R r ) 1 R 1 1m 1m r 1

36 III Wyznaczenie kierunku spływu i spadku zwierciadła wody podziemnej hydroizihipsa 160 m 120 m 140m Kierunki przepływu wód podziemnych możemy łatwo wyznaczyć, jeżeli mamy mapę hydrogeologiczną z naniesionymi hydroizohipsami lub hydroizopiezami. Kierunki przepływu odpowiadają liniom największego spadku, tzn. są prostopadłe do przebiegu hydroizohips.

37 120m A 130 m 140m hydroizihipsa 150m hydroizihipsa trójkata badawczego 160m 165m C 120m 160m 150m 160m 140m B 140m Chcąc wyznaczyć lokalnie kierunek przepływu wód podziemnych należy w co najmniej trzech miejscach ( otworach obserwacyjnych ), rozmieszczonych na wierzchołkach trójkąta ( zbliżonego do równobocznego), zniwelować bardzo dokładnie wysokość zwierciadła wody podziemnej. Odległości miedzy wierzchołkami przyjmujemy w zależności od terenu 30m do 500m. Punkty obserwacyjne z wysokością zwierciadła wody podziemnej nanosimy na plan sytuacyjny, kreślimy boki trójkąta, na których przez interpolację znajdujemy punkty równych wysokości. Łącząc te linie prostymi otrzymamy izohipsy trójkąta badawczego. Kierunki przepływu będą prostopadłe do izohips

38 120m A 130 m hydroizihipsa hydroizihipsa trójkata badawczego 140m 120 m 120m B 130m 140m 160m C 150 m 140m Błędna interpretacja pomiarów w odniesieniu do rzeczywistych warunków terenowych Wyznaczenie trójkąta badawczego ma pierwszorzędne znaczenie. Jak widać na przykładzie pomiary przeprowadzone w zbyt odległych punktach terenowych, mogą wskazywać na zupełnie inne ukształtowanie zasobów wód podziemnych w odniesieniu do spadku zwierciadła wody i ewentualnej maksymalnej głębokości warstwy wodonośnej.

39 I Ogólna klasyfikacja ruchu cieczy w ośrodku porowatym Przepływ cieczy w ośrodkach porowatych nazywamy filtracją ( przesączaniem)

40 Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi ruch cieczy są: 1. Prędkość, 2. Natężenie przepływu, 3. Kierunek przepływu, 4. Ciśnienie cieczy W ogólnym przypadku wymienione wielkości są funkcją miejsca i czasu, co możemy zapisać : predkosc natezenie przeplywu kierunek przeplywu cisnienie = H = f(x, y,z,t) Ruch, który określają trzy współrzędne miejsca oraz parametr czasu, nazywamy ruchem przestrzennym nieustalonym

41 W ruchu takim wielkości hydrodynamiczne ulegają zmianie zarówno z biegiem czasu, jak i przy przejściu od jednego punktu przestrzeni do drugiego x t= 0 y x z y t= t 1 z

42 Jeżeli wielkości hydrodynamiczne możemy określić jako funkcję czasu i dwu współrzędnych miejsca, to przepływ taki nazywamy dwuwymiarowym, płaskim Dwuwymiarowe pole przepływu może być płaskie w poziomie ( planie) x 1 t= 0 x y x predkosc natezenie przeplywu kierunek przeplywu cisnienie = H = f(x, y,t) z 1 y 1 z x 2 y t= t 1 y 2 z z= const 2 = 1 z t

43 Dwuwymiarowe pole przepływu może być płaskie w przekroju pionowym x 1 x predkosc natezenie przeplywu = kierunek przeplywu cisnienie H = f(x,z,t) t = 0 y x y 1 z 1 x 2 z y y= const 2 = 1 y t= t 1 t z z 2

44 W przypadku osiowej symetrii ruchu- ruch z natury przestrzenny opisać można dwoma współrzędnymi. Ruch taki nazywamy osiowosymetrycznym z 1 r 1 predkosc natezenie przeplywu = kierunek przeplywu cisnienie H = f(r, z,t) z 2 r 2 z 3 r 3

45 Ruch można uznać jako płaski, gdy spełnia dwa warunki: 1. przepływ cieczy jest równoległy do nieruchomej płaszczyzny ( poziomej lub pionowej ) zwanej płaszczyzną przepływu, 2. wartość wielkości hydrodynamicznych w punktach leżących na prostopadłej do płaszczyzny przepływu są sobie równe w każdej chwili czasu Filtracja może zachodzić w ośrodku trójfazowym ( faza stała, ciekła i gazowa) zwanym ośrodkiem nienasyconym lub w ośrodku dwufazowym, gdy pory całkowicie wypełnione są cieczą (ośrodek nasycony)

46 II Prawa filtracji Ruch cieczy w ośrodku porowatym uwarunkowany jest siłami działającymi na ciecz, w szczególności : 1. Ciężkości, 2. Ciśnienia, 3. Tarcia, 4. Bezwładności, 5. Powierzchniowymi działającymi na kontakcie fazy stałej i ciekłej (np. siły kapilarne i adsorpcji) Wymienione siły nie zawsze mają istotne znaczenie. Dla określonych warunków przepływu miarodajna jest jedynie określona grupa sił, pozostałe ze względu na ich małą wartość nie mają istotnego znaczenia. Wynika stąd, że nie istnieje jedno, ogólnie ważne dla wszystkich przypadków, prawo filtracji.

47 Siły ciężkości i ciśnienia są siłami czynnymi inicjującymi ruch cieczy Siły te pozostają w równowadze z siłami oporu wynikającymi z tarcia, bezwładności oraz siłami powierzchniowymi Siły tarcia działają przede wszystkim wzdłuż ścian kanalików porowych i zależą od chropowatości ścian, lepkości cieczy i prędkości przepływu Lepkość (tarcie wewnętrzne) - właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów (cieczy i gazów). Gęstość (masa właściwa) jest to stosunek masy pewnej porcji substancji do zajmowanej przez nią objętości. W przypadku substancji jednorodnych porcja ta może być wybrana dowolnie; jeśli jej objętość wynosi V a masa m, to gęstość substancji wynosi: m ρ= i nie zależy od wyboru próbki. V

48 Naprężenie styczne w ogólnym przypadku wynosi: Lepkość Dynamiczna [Pa * s ] τ = η Prędkość Przepływu cieczy [m/s] v y + Gęstość [kg/m 3 ] ρ l 2 Droga [m] v y 2 Kierunek prostopadły do wektora przepływu Tarcie laminarne Tarcie burzliwe

49 Naprężenie styczne w ogólnym przypadku wynosi: ciecz( η, ρ) l v y

50 Dzięki siłom działającym na wodę w systemie gruntowo-wodnym magazynowana jest energia potencjalna. Potencjał hydrauliczny elementu wody w systemie gruntowo-wodnym jest suma potencjałów cząstkowych : Ψ H = Ψ z + Ψ m + Ψ p + Ψ o Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ H z m p o potencjal hydrauliczny, potencjal grawitacyjny, potencjal kapilarny, ( ssacy), potencjal cisnienia, potencjal osmotyczny

51 Potencjał grawitacyjny Wynika z pola grawitacyjnego Ziemi. Odpowiada on energii potrzebnej do podniesienia elementu wody z przyjętego poziomu odniesienia (poziomu porównawczego z=0) na wysokość zajmowaną przez element pozycji Potencjał kapilarny Lub potencjał ssący charakteryzuje energie wiązania wody przez fazę stała w ośrodku nienasyconym. Im grunt jest suchszy, tym silniej cząsteczki wody związane są z fazą stałą ( cząsteczkami gruntu). Potencjał ciśnienia Odpowiada energii potencjalnej elementu wody znajdującej się pod ciśnieniem w stosunku do energii elementu o ciśnieniu zerowym. Potencjał ciśnienia występuje tylko w strefie nasyconej. Potencjał osmotyczny Odpowiada różnicy ciśnień między powierzchniami błony półprzepuszczalnej przy różnym stężeniu roztworu wodnego. Potencjał osmotyczny decyduje o transporcie wody w roślinach. W przepływie wody podziemnej odgrywa podrzędną rolę i najczęściej jest pomijany

52 1. Potencjały cząstkowe nie występują jednocześnie. 2. Potencjał grawitacyjny występuje niezależnie od stopnia nasycenia ośrodka, 3. Potencjał kapilarny ( molekularny, ssący) występuje tylko w ośrodku nienasyconym, 4. Potencjał ciśnienia występuje tylko w ośrodku nasyconym W rezultacie możemy zapisać, ze potencjał hydrauliczny wynosi: w ośrodku nasyconym w ośrodku nienasyconym H z M Ψ H = Ψ = Ψ z + Ψ + Ψ Ruch cieczy występuje tylko wtedy, gdy między dwoma punktami przestrzeni porowej istnieje różnica potencjału całkowitego. Woda przepływa z punktu o wyższym potencjale do punktu o niższym potencjale. Ψ p

53 Z charakterystyki sił decydujących o oporach ruchu wynika, że w strefie nasyconej możliwe jest wydzielenie pewnych przedziałów ruchu, w których istotne znaczenie mają określone siły. Ze względu na charakter ruchu cieczy w hydraulice wyróżnia się ruch laminarny ( uwarstwiony), ruch turbulentny ( burzliwy) Przy małych prędkościach przepływu siły tarcia są proporcjonalne do prędkości, a siły bezwładności są na tyle małe, że mogą być pomijane, Ze wzrostem prędkości wzrasta znaczenie sił bezwładności, w końcu pojawia się turbulencja, a siły wzrastają z kwadratem prędkości. τ = η v y + ρ l 2 v y 2

54 W rezultacie w ośrodkach porowatych wyróżnić można następujące przedziały ruchu: 1. Mikrofiltracji, z decydującym udziałem sił powierzchniowych, 2. Liniowego, z decydującym udziałem oporów lepkości ( tarcia laminarnego), 3. Przejściowego ze wzrastającym udziałem sił bezwładności, 4. Przejściowego z częściowo występującą turbulencją, 5. Turbulentnego, z siłami tarcia wzrastającymi z kwadratem prędkości. Stan wiedzy pozwala aktualnie tylko na określenie prawa filtracji dla przedziału ruchu liniowego, dla pozostałych przedziałów można podać jedynie przybliżone zależności.

55 II.1 rzeczywista droga przeplywu ( A, B) v rz = czas przeplywu miedzy przekrojami A, B Przepływ wody w ośrodku porowatym A powierzchnia terenu zwierciadło wody gruntowej B Woda przepływa kanalikami porowymi z pewną prędkością, która wynika z czasu potrzebnego na pokonanie rzeczywistej drogi przepływu elementu cieczy między przekrojami A i B. rzeczywista droga przepływu cieczy przez ośrodek porowaty spąg warstwy nieprzepuszczalnej warstwa nieprzepuszczalna Prędkość ta jest zwana prędkością rzeczywistą i jest technicznie nie do wyliczenia, ponieważ rzeczywisty tor po którym porusza się cząsteczka wody jest technicznie niemierzalny v rz= l t rz

56 U = czas odleglosc ( A, B) przeplywu miedzy przekrojami A, B A l = odległość od A do B powierzchnia terenu B Praktycznie wyznaczyć można prędkość będącą stosunkiem poziomej odległości miedzy przekrojami A i B a czasem t ( przepływu między przekrojami A i B ). zwierciadło wody gruntowej Prędkość taka nazywamy prędkością efektywną (skuteczną ) U= l t spąg warstwy nieprzepuszczalnej warstwa nieprzepuszczalna

57 Średnia prędkość efektywna U może być zdefiniowana również jako objętość wody V w przesączającej się przez powierzchnię przekroju porów F p =mf w jednostce czasu Średnia prędkość efektywna ciecz F = a b F p = m F Powierzchnia przekroju pora U = m = ( m F) t F p F V w ; wspolczynnik porowatosci przekrojowej a b

58 Współczynnik porowatości niektórych skał Ćwiczenie Obliczyć średnią prędkość efektywną przy której 1m 3 wody przesączy się przez przekrój gruntu o wymiarach a=1m, b=1m i współczynniku porowatości m=20% ( pospółka) w czasie 10 s. Vm 1m 3 U = = = 0, 5 ( a b) m t ( 1m 1m) 0,2 10s s m

59 B zwierciadło wody gruntowej Trzecią prędkością, która z uwagi na obliczenia jest najbardziej znaczącą wielkością dla charakterystyki przepływu w ośrodkach porowatych, jest prędkość filtracji. v f H warstwa nieprzepuszsczalna spąg warstwy wodonośnej Q, v f Definiuje się jako stosunek objętości wody V m przesączającej się przez prostopadły do kierunku przepływu przekrój F w jednostce czasu. v f = V F m t

60 Porównując wzory na średnią prędkość efektywną oraz prędkość filtracji do chodzimy do zależności: U V = m ; m F t v f = V m F t v f = m U Prędkość filtracji jest wielkością fikcyjną, ponieważ zakłada się iż przepływ odbywa się całkowitą powierzchnią przekroju F. W rzeczywistości przepływ odbywa się jedynie przekrojem czynnych porów.

61 Gospodarka Wodna Wykład nr 7 Na podstawie podręcznika HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej OPRACOWAŁ dr hab.inż. Wojciech Chmielowski prof. PK Wody Podziemne 1. GŁÓWNE zbiorniki wód podziemnych w Polsce 2. SPOSOBY Wykorzystania wód podziemnych 3. WAHANIA i pomiary zwierciadła wód podziemnych 4. DYNAMIKA wód podziemnych