OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH

1. Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH Wykład nr 2 POCHODZENIE WÓD PODZIEMNYCH Strefa AREACJI

2. Podział i klasyfikacja wód podziemnych KLASYFIKACJA • W hydrogeologii istniał problem stworzenia klasyfikacji opartej na takich kryteriach, z których wynikałoby maksymalnie dużo własności wody podziemnej. Najprostsze podziały wód uwzględniają jedną cechę np.: • pochodzenie, temperaturę, • skład chemiczny, • właściwości fizyczne ośrodka w którym się znajdują, • własności organoleptyczne (smak, zapach, barwa).

3. Ze względu na pochodzenie (genezę) wody podziemne dzielimy na: • Wody kondensacyjne - wody powstające pod powierzchnią ziemi w wyniku kondensacji pary wodnej zawartej w atmosferze. • Dzisiaj nie mamy wątpliwości , że wody podziemne pochodzą przede wszystkim z wsiąkających opadów atmosferycznych, to jednak w pewnych warunkach również drogą kondensacji może dojść do wzbogacenia zasobów wodnych podziemnych • Wody juwenilne - wody powstające na większych głębokościach z ostygającej magmy, które po raz pierwszy włączają się w ogólny obieg wody. W świetle współczesnych poglądów tylko bardzo mała część wody podziemnej jest pochodzenia magmowego 1

4. Wody reliktowe - wody leżące pod dużymi seriami warstw nieprzepuszczalnych, które uniemożliwiają lub silnie utrudniają włączenie się wody w obieg. • Pod względem genetycznym wyróżnia się wody reliktowe pochodzenia • sedymentacyjnego i • wody kopalne infiltracyjne • Wody sedymentacyjne są wodami dawnych osadów morskich lub jeziornych. W przypadku gdy nawodniony osad zostanie przykryty warstwą młodszych osadów nieprzepuszczalnych , odsączanie wody wskutek działania ciśnienia gromadzących się warstw osadów może być utrudnione, zwłaszcza wtedy gdy niżej leżące warstwy są również nieprzepuszczalne. Woda zostaje zamknięta w swych macierzystych osadach i szczelnie izolowana od innych warstw. • Kopalne wody są wodami pochodzenia atmosferycznego, odciętymi z systemu krążenia przez różne procesy geologiczne, np. tektoniczne. Znajdują się najczęściej głęboko pod ziemią i są silnie zmineralizowane. • Wody metamorficzne - wody powstające w czasie przeobrażenia termicznego niektórych minerałów np.: hydrokrzemianów.

5. KLASYFIKACJA STOSOWANA W POLSCEKlasyfikacja polska wód podziemnych wg kryterium hydrogeologicznego uwzględnia następujące charakterystyki: • Głębokość występowania, • Układ warstw wodonośnych i nieprzepuszczalnych, • Stosunek do powierzchni ziemi • Charakter próżni w których wody podziemne występują , • Genezapowstania .

6. Z obserwacji wiemy że wody podziemne występują na mniejszych lub większych głębokościach. • W profilu pionowym wyróżniamy dwie strefy • strefę areacji ( napowietrzania ) • strefę saturacji ( nasycenia) • W strefie areacji pory lub szczeliny wypełnione są powietrzem oraz częściowo wodą związaną : • higroskopijna, • błonkowa, • Kapilarna. W strefie saturacji wszystkie pory i szczeliny są całkowicie wypełnione wodą . Woda ta występuję jako wolna i podlega wyłącznie sile grawitacji oraz może swobodnie przesączać się z miejsc wyższych do niższych .

7. PROFIL PIONOWY

8. Za podstawę podziału przyjęto zwierciadło wód podziemnych, które rozdziela ośrodek skalny na dwie strefy: • aeracji czyli napowietrzenia, gdzie próżnie skalne w zasadzie wypełnione są powietrzem i • saturacji, o próżniach nasyconych wodą, co ilustruje poniższy rysunek:

9. I. Strefa aeracji

10. I. Strefa aeracji Wody higroskopijne - znajdują się pod działaniem sił adsorpcji - cząstki gruntu mają zdolność skupiania na swej powierzchni drobin gazów, cieczy. Im mniejsza średnica cząstek gruntu tym te siły są większe. Wody te pod względem własności fizycznych przypominają bardziej ciało stałe niż ciecz. Ich przemieszczanie w profilu glebowym jest utrudnione

11. I. Strefa aeracji Wody błonkowate -otaczają cząstki gruntu warstwą grubszą niż wody higroskopijne i nie są z nim tak silnie związane. Poddawane są siłom elektrycznym - cząstki gruntu oddziałują przyciągająco na dipolowe cząstki gruntu. Właściwości fizyczne są zbliżone do wody wolnej. Mogą zawierać w sobie wody higroskopijne.

12. Wody kapilarne - ich występowanie wynika z sił działających na granicy ciała stałego i cieczy. Na styku tych faz występuje zjawisko włosowatości, czyli podsiąkania wody w wąskich szczelinach. Wody te występują pomiędzy strefą aeracji i saturacji tworząc strefę przejściową. Mogą też tworzyć się w strefie saturacji jako swoiste "soczewki" podczas przesiąkania wód opadowych w głąb gleby lub w czasie gwałtownych zmian poziomu zwierciadła wód gruntowych. I. Strefa aeracji    Wody opisane powyżej, z uwagi na fakt, że oddziaływują na nie różne siły nazywamy ogólnie wodami związanymi. Pozostałe rodzaje wód są to tzw. wody wolne.

13. I. Strefa aeracji Wody kapilarne - Badania nad zjawiskiem wody kapilarnie zawieszonej w gruntach średnioziarnistych zapoczątkował Atterberg. Jak wiadomo, podnoszenie kapilarne wywołane jest istnieniem tzw. ciśnienia powierzchniowego Wartość tego ciśnienia według Laplace’a ( 1806) zależy od: 1. Kształtu powierzchni cieczy ( menisku), 2. Rodzaju cieczy, 3. Materiału ścian kapilary. kapilara cylindryczna

14. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Ciśnienie powierzchniowe Pi ciśnienie na powierzchni menisku P0ciśnienie wewnętrzne cieczy ( dla wody P0=1050 MPa) napięcie powierzchniowe R1,R2 największy i najmniejszy promień menisku ( wartość R jest dodatnia przy menisku wypukłym i ujemna przy menisku wklęsłym) kapilara łańcuszkowa

15. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Zjawisko to polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją tak, że zachowuje się ona jak sprężysta błona. Napięciem powierzchniowym nazywa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo. Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym. Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał niepodatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie (np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach – zjawisko to należy do zjawisk kapilarnych

16. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz A i B oznacza, że siły spójności (kohezji) wewnątrz faz A-A i B-B są większe niż siły przylegania (adhezji) na granicy faz A-B. Zwilżalność– właściwość przedmiotów i substancji dotycząca ich oddziaływania z cieczami, przede wszystkim z wodą. Jeżeli ciało stałe jest zwilżalne, to ciecz rozpływa się po jego powierzchni lub wnika w jego pory. Jeżeli ciało jest zwilżane wodą, to mówimy, że jest ono hydrofilowe. Przeciwieństwem tego zjawiska jest brak zwiżalności. Ciała o takich właściwościach (niezwilżalne wodą) nazywamy hydrofobowymi. Na opisane zjawisko zwilżania lub niezwilżania ciała stałego wpływa wiele czynników. Do najważniejszych należy napięcie powierzchniowe cieczy oraz wzajemne oddziaływanie ciała stałego i cieczy. Na przykład szkło jest dobrze zwilżane przez wodę, a nie jest zwilżane przez rtęć. Z kolei parafina nie jest zwilżana przez wodę, a dobrze rozpływa się po niej benzyna itp.

17. I. Strefa aeracji MENISK Wody kapilarne Menisk jest to powierzchnia rozdzielająca od siebie dwie fazy płynne – gaz i ciecz lub dwie, niemieszające się z sobą ciecze. Menisk przybiera kształt płaskiej powierzchni, wycinka sfery lub hiperboloidy, lub też w szczególnych przypadkach kombinacji wycinka sfery i hiperboloidy. • Kształt menisku i kierunek jego wypukłości zależy od: • w przypadku dwóch cieczy: wypadkowej energii powierzchniowej obu stykających się faz, • w przypadku układu – ciecz-gaz od wypadkowej energii powierzchniowej ścianek naczynia i sumarycznego napięcia powierzchniowego lustra cieczy (oprócz własności samej cieczy jest też zależny od rozmiarów lustra cieczy, który wynika z przekroju naczynia).

18. I. Strefa aeracji MENISK Wody kapilarne Dla układu gaz-ciecz w rurce z materiału trudno zwilżalnego przez tę ciecz (np. rtęć w rurce szklanej), ciecz tworzy menisk wypukły. Jeżeli ciecz odpowiednio dobrze zwilża materiał rurki (np. etanol w rurce szklanej) tworzy się menisk wklęsły. W ostatnim przypadku, przy bardzo wąskim przekroju rurki (różnym dla każdego układu ciecz-materiał ścianek) pojawia się efekt kapilarny, polegający na tendencji do pełznięcia cieczy po ściankach. Efekt ten jest na tyle silny, że przezwycięża grawitację. Jeśli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są większe od sił między cząsteczkami cieczy, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w górę, czyli ciecz tworzy menisk wklęsły i zwilża ścianki naczynia (np. woda w niepełnym naczyniu ze szkła). Jeśli siły między cząsteczkami cieczy i ścianek są małe, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w dół wtedy ciecz tworzy menisk wypukły i nie zwilża ścianek naczynia (np. rtęć w rurce szklanej). Źródło „http://pl.wikipedia.org/wiki/Menisk”

19. I. Strefa aeracji PASKAL Wody kapilarne • Paskal – jednostka ciśnienia (także naprężenia) w układzie SI (Jednostka pochodna układu SI), oznaczana Pa. • Nazwa paskal pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Blaise’aPascala. • Często spotykany skrót kPa oznacza kilopaskal (103 Pa), • MPa oznacza megapaskal (106 Pa), • natomiast hPa – hektopaskal (100 Pa). • Hektopaskal jest zazwyczaj stosowany przy podawaniu ciśnieniaatmosferycznego, ponieważ jest dokładnie równy stosowanej powszechnie przed latami sześćdziesiątymi XX w. w meteorologii w układzie CGS i MKSA jednostce milibar: • 1 hPa = 100 Pa = 1 mbar = 10,19 mmH2O • Ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi przeciętnie 1013,25 hPa. Najniższe ciśnienie zmierzone kiedykolwiek na poziomie morza wynosiło 870 hPa, a najwyższe na powierzchni Ziemi – 1083,8 hPa.

20. Gdy 1/R1 = 1/R2 =0, czyli gdy powierzchnia menisku jest płaska ( R= ), wtedy ciśnienie na powierzchni menisku odpowiada ciśnieniu wewnętrznemu cieczy. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Ciśnienie powierzchniowe 1 2 Ciśnienie pod powierzchniawklęsłą będzie mniejsze, a pod powierzchniąwypukłą większeniż pod płaską.

21. Pod powierzchnią wklęsłą R1<0 , R2<0 ciśnienie powierzchniowe wynosi: 3 =Kąt zwilżania I. Strefa aeracji Wody kapilarne Ciśnienie powierzchniowe 4 W przypadku kapilary cylindrycznej ciśnienie na powierzchni menisku wynosi:

22. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Kąt zwilżania, kąt przyścienny – kąt utworzony przez powierzchnię płaską ciała stałego i płaszczyznę styczną do powierzchni cieczy graniczącej z ciałem stałym lub do powierzchni rozdziału dwóch stykających się cieczy

23. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze cylindrycznej 5 Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze cylindrycznej można wyznaczyć z równości

24. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej 6 Warunkiem utrzymania się wody zawieszonej w kapilarze jest istnienie niejednakowej krzywizny górnego i dolnego menisku. Warunki równowagi wymagają aby spełniona była równość

25. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej 6 P1ciśnienie na powierzchni górnego menisku P2ciśnienie na powierzchni dolnego menisku napięcie powierzchniowe R1,R2 największy i najmniejszy promień menisku hk wysokość słupa wody w kapilarze gęstość wody g przyspieszenie siły ciężkości Z równania wynika , że wzrostowi wody zawieszonej w kapilarze towarzyszyć musi wzrost prawej strony równania. Jest to możliwe jedynie przy wzroście R2.

26. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej 6 Przy stałym ciśnieniu powierzchniowym górnego menisku, ciśnienie dolnego menisku będzie wzrastać w wyniku zmniejszania się krzywizny dolnego menisku, co powoduje wzrost wysokości podsiągu kapilarnego.

27. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej 6 Przy dalszym dopływie wody do kapilary menisk dolny z płaskiego przejdzie w wypukły, a warunek równowagi przyjmie postać Wzrostowi wysokości hktowarzyszyć musi wzrost wartości w nawiasie. Przy ustalonym menisku górnym ( R1) wzrastać musi wyrażenie (1/R2) . Oznacza to że menisk dolny przesuwa się w kierunku zwężenia kapilary

28. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej 6 Zakładając że Ze wzoru wynika, że maksymalna wysokość wody kapilarnej zawieszonej jest dwukrotnie większa od wysokości kapilarnej podpartej. Dla wody o parametrach : Wartość 0,15*10-4[m2] jest stałą kapilarna wody względem szkła

29. I. Strefa aeracji Wody kapilarne Maksymalna wysokość wzniosu kapilarnego różnych gruntów 7 k Czas potrzebny na podniesienie się wody w kapilarze na wysokość z 8

30. Wody wsiąkowe - są to najczęściej wody opadowe, które przesiąkają przez środowisko przepuszczalne do momentu osiągnięcia warstwy nieprzepuszczalnej lub strefy saturacji. Wody zawieszone - tworzą się nad soczewkami nieprzepuszczalnego gruntu pogrążonymi w przepuszczalnym podłożu. Gdy znajdują się blisko powierzchni ziemi mogą okresowo zanikać w wyniku intensywnej ewapotranspiracji i braku zasilania wodami wsiąkowymi I. Strefa aeracji

31. Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007 OPRACOWAŁ dr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zakład Gospodarki Wodnej, PK OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH Wykład nr 2 POCHODZENIE WÓD PODZIEMNYCH Strefa AREACJI