OCHRONA WÓD

PODZIEMNYCH

OCHRONA WÓD

PODZIEMNYCHWykład nr 2

POCHODZENIE WÓD

PODZIEMNYCH

Strefa AREACJI

POCHODZENIE WÓD

PODZIEMNYCH

Strefa AREACJI

Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007

OPRACOWAŁdr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK

Instytut Inżynierii i Gospodarki WodnejZakład Gospodarki Wodnej, PK

Podział i klasyfikacja wód podziemnych

KLASYFIKACJAKLASYFIKACJA

   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).

   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

   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

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.

KLASYFIKACJA KLASYFIKACJA STOSOWANA STOSOWANA W W POLSCEPOLSCE

     Klasyfikacja 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 ,• Geneza powstania .

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 :

1. higroskopijna,2. błonkowa,3. 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 .

ziarno mineralneotoczone w odąhigroskopijną

w oda w siąkow a

pow ietrze gruntow e

w oda błonkow ata

w oda kapilarna

zwierciadło wodypodziemnej

w oda w olna

stre

fa a

reac

ji

stre

faw

znio

su

kap

ilarn

ego

stre

fasa

tura

cji

PROFIL

PIONOWY

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:

Zw ierciadło w ody gruntow ej

W ody w siąkow eW ody zawieszone

W ody kapilarne

I. Strefa aeracji

ziarno mineralneotoczone w odąhigroskopijną

w oda w siąkow a

pow ietrze gruntow e

w oda błonkow ata

w oda kapilarna

zw ierciadło wodypodziemnej

w oda w olna

stre

fa a

reac

ji

stre

faw

znio

suka

pila

rneg

o

stre

fasa

tura

cji

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

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.

ziarno mineralneotoczone w odąhigroskopijną

w oda w siąkow a

pow ietrze gruntow e

w oda błonkow ata

w oda kapilarna

zw ierciadło wodypodziemnej

w oda w olna

stre

fa a

reac

ji

stre

faw

znio

suka

pila

rneg

o

stre

fasa

tura

cji

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.

ziarno mineralneotoczone w odąhigroskopijną

w oda w siąkow a

pow ietrze gruntow e

w oda błonkow ata

w oda kapilarna

zwierciadło wodypodziemnej

w oda w olna

stre

fa a

reac

ji

str

efa

wzn

ios

uk

ap

ilarn

ego

str

efa

sa

tura

cji

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

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.

Rr

kh

r

kapilara cylindryczna

1R

1r

1

kh

1r

2r

2R2r

2

210

11

RRPPi

I. Strefa aeracji

kapilara łańcuszkowa

Pi ciśnienie na powierzchni menisku

P0 ciśnienie 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)

Ciśnienie powierzchniowe

Wody kapilarne

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

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.

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.

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

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).

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.

MENISK

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”

I. Strefa aeracji Wody kapilarne MENISK

Paskal – jednostka ciśnienia (także naprężenia) w układzie SI (Jednostka pochodna układu SI), oznaczana Pa.

Nazwa paskal pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Blaise’a Pascala.Często spotykany skrót kPa oznacza kilopaskal (103 Pa),

MPa oznacza megapaskal (106 Pa), natomiast hPa – hektopaskal (100 Pa).

Hektopaskal jest zazwyczaj stosowany przy podawaniu ciśnienia atmosferycznego, 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.

22 1

1

1

11

sm

kg

m

NPa

I. Strefa aeracji Wody kapilarne PASKAL

I. Strefa aeracji Wody kapilarneR

r

kh

r

210

11

RRPPi

Ciśnienie powierzchniowe

Gdy 1/R1 = 1/R2 =0, czyli gdy powierzchnia menisku jest płaska ( R= ), wtedy ciśnienie na powierzchni menisku odpowiada ciśnieniu wewnętrznemu cieczy.

0PPi

Ciśnienie pod powierzchnia wklęsłą będzie mniejsze, a pod

powierzchnią wypukłą większe niż pod płaską.

1

2

I. Strefa aeracji Wody kapilarne Rr

kh

r

Ciśnienie powierzchniowe

Pod powierzchnią wklęsłą R1<0 , R2<0 ciśnienie powierzchniowe wynosi:

210

11

RRPPi

3

4 W przypadku kapilary cylindrycznej ciśnienie na powierzchni menisku wynosi:

cos21

rRRR

RPP

20

=Kąt zwilżania

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

Rr

cos21

rRRR

5

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze cylindrycznej

Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze cylindrycznej można wyznaczyć z równości

gRh

zatemRplaskiejipowierzchndla

RPgh

RP

PghP

k

k

k

1

2

20

10

21

2

,

22

Rr

kh

r

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

6 Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej

Warunkiem utrzymania się wody zawieszonej w

kapilarze jest istnienie niejednakowej krzywizny górnego i dolnego menisku. Warunki równowagi wymagają aby spełniona była równość 1R

1r

1

kh

1r

2r

2R2r

2

21

21

20

10

21

112

112

22

RRgh

RRgh

RPgh

RP

PghP

k

k

k

k

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

6Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej

P1 ciśnienie na powierzchni górnego menisku

P2 ciśnienie 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

21

112

RRghk

Z równania wynika , że wzrostowi wody zawieszonej w kapilarze towarzyszyć musi wzrost prawej strony równania.

Jest to możliwe jedynie przy wzroście R2.

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

6Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej

Przy stałym ciśnieniu powierzchniowym górnego menisku, ciśnienie dolnego menisku będzie wzrastać w wyniku

zmniejszania się krzywizny dolnego menisku, co powoduje wzrost wysokości podsiągu kapilarnego.

1R

1r

1

kh

1r

2R

2r

1R

1r

1

kh

1r

2r

2R2r

2

gRh

Rplaskimmeniskuprzy

k

1

2

2

,

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

6Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej

Przy dalszym dopływie wody do kapilary menisk dolny z płaskiego przejdzie w wypukły, a warunek równowagi przyjmie postać

21

21

20

10

112

112

22

RRgh

RRgh

RPgh

RP

k

k

k

Wzrostowi wysokości hk towarzyszyć 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

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

6Wysokość podsiągu kapilarnego w kapilarze łańcuszkowej

gRhRRR k

4

max12

Zakładając że

Ze wzoru wynika, że maksymalna wysokość wody kapilarnej zawieszonej jest dwukrotnie większa od wysokości kapilarnej podpartej.

Dla wody o parametrach :

mRgR

h

mNgmmNCt

k4

1

3

1015,02

/9810,/73,10

Wartość 0,15*10-4[m2] jest stałą kapilarna wody względem szkła

I. Strefa aeracji Wody kapilarne

7Maksymalna wysokość wzniosu kapilarnego różnych gruntów

8 Czas potrzebny na podniesienie się wody w kapilarze na wysokość z

okapilarnegpodsiaguwysokosch

gruntowejwodyemzwierciadlnadwysokoscz

filtracjiikwspolczynnk

gruntuporowatoscngdzie

k

z

zh

h

k

hnt

k

kk

kk

:

;ln

k

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

ziarno mineralneotoczone w odąhigroskopijną

w oda w siąkow a

pow ietrze gruntow e

w oda błonkow ata

w oda kapilarna

zwierciadło wodypodziemnej

w oda w olna

stre

fa a

reac

ji

stre

faw

znio

suka

pila

rneg

o

stre

fasa

tura

cji

I. Strefa aeracji

OCHRONA WÓD

PODZIEMNYCH

OCHRONA WÓD

PODZIEMNYCHWykład nr 2

POCHODZENIE WÓD

PODZIEMNYCH

Strefa AREACJI

POCHODZENIE WÓD

PODZIEMNYCH

Strefa AREACJI

Na podstawie podręcznika „HYDROGEOLOGIA z podstawami geologii”, Jerzy KOWALSKI, WUP, Wrocław 2007

OPRACOWAŁdr hab.inż.Wojciech Chmielowski prof.PK

Instytut Inżynierii i Gospodarki WodnejZakład Gospodarki Wodnej, PK