HYDROGEOLOGIA OGÓLNA OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH Wykład nr 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 Wykład nr 1 HYDROGEOLOGIA OGÓLNA

HYDROGEOLOGIA OGÓLNA Hydrogeologia , jako nauka o wodach podziemnych, zajmuje się badaniem ich pochodzenie, właściwości fizykochemicznych, rozmieszczenia i sposobów przemieszczania się w skorupie ziemskiej. Hydrogeologia , poza ścisłym związkiem z innymi naukami geologicznymi, opiera się na wielu naukach przyrodniczych, jak meteorologia i klimatologia, fizyka i geofizyka, chemia i geochemia, gleboznawstwo i balneologia. Hydrogeologia bardzo ściśle powiązana jest z hydrologia, geologia inżynierską, hydrauliką i hydrodynamiką.

HYDROGEOLICZNE WŁAŚCIWOŚCI SKAŁ Porowatość Skład granulometryczny Przepuszczalność i pojemność skał Charakterystyka hydrogeologiczna skał 1.POROWATOŚĆ Podstawową właściwością skał , dzięki której możliwe jest występowanie i przemieszczanie się wody podziemnej, jest ich porowatość lub szczelinowatość. Występowanie porów zależy od pęknięć ( szczelinowatość) w różnym stopniu przenikającym skały, których pochodzenie wiąże się z różnymi procesami geologicznymi, oraz od budowy skał okruchowych , składających się z odłamków skalnych i minerałów nieszczelnie przylegających do siebie.

1.POROWATOŚĆ Wielkość odłamków warunkuje rozmiary i ogólną ilość porów. Objętość porów w skałach okruchowych zależy od wymiarów i kształtu ziaren( cząstek), ich wzajemnego ułożenia i stopnia różnoziarnistości Objętość wolnych przestrzeni wskazuje na ilość wody, jaka w danej skale może być magazynowana, Wymiar i kształt wolnych przestrzeni określają przepuszczalność skały

1.POROWATOŚĆ Klasyfikacja wolnych przestrzeni w skałach Wolne przestrzenie pierwotne a/ w skałach osadowych b/ w skałach magmowych Wolne przestrzenie wtórne a/ spękania i szczeliny, b/ krasowe, c/ przestrzenie wytworzone przez korzenie roślin, zwierzęta Gdyby cząstki , z których składa się skała, były kulami o jednakowej średnicy, to objętość porów w jednostce objętości zależałaby tylko od wzajemnego ułożenia ziaren , a byłaby niezależna od ich średnicy.

1.POROWATOŚĆ Można wyobrazić sobie trzy sposoby ułożenia ziaren sześcienny rombowy romboedrowy

1.POROWATOŚĆ będący stosunkiem objętości porów do całej skały Liczbową miarą porowatości jest współczynnik porowatości będący stosunkiem objętości porów do całej skały Dla układu sześciennego , najbardziej luźnego

1.POROWATOŚĆ współczynnik porowatości dla układu rombowego

1.POROWATOŚĆ współczynnik porowatości dla układu romboedrowego

1.POROWATOŚĆ W naturalnych warunkach wartości współczynników porowatości mogą zarówno przekraczać wartość maksymalną jak i przyjmować wartości mniejsze od minimalnej. Współczynnik porowatości jest tym większy , im bardziej ziarna odbiegają od kształtu kuli. Ze względu na ruch wody w porach , jak również na działanie sił międzycząsteczkowych , przyjmuje się w hydrogeologii następujący podział porów : nadkapilarne o średnicy większej niż w których ruch wody wolnej zachodzić może pod działaniem siły ciężkości ( pory grube) kapilarne o średnicy (pory średnie) subkapilarne o średnicy mniejszej niż (pory drobne), w których woda zostaje związana i unieruchomiona działaniem sił cząsteczkowych.

1.POROWATOŚĆ Wyznaczanie współczynnika porowatości Objętość porów można wyznaczyć w sposób bezpośredni lub pośredni. Porowatość skał spowodowaną obecnością szczelin określa się za pomocą pomiaru bezpośredniego. Próbkę litej skały o znanej objętości suszy się w temperaturze 105-110 stopni C , a po wystudzeniu waży. Następnie próbkę powoli zanurza się w wodzie , aby pory ( szczeliny) wypełniły się wodą Po pewnym czasie próbkę wyjmuje się z wody , wyciera i ponownie waży Masa wody wypełniającej pory wynosi

1.POROWATOŚĆ Zatem objętość porów wynosi : Przyjmując Gęstość właściwa wody Zatem współczynnik porowatości wynosi:

2. Skład granulometryczny Skały osadowe składają się z oddzielnych ziaren i cząstek ( cząstki mają wymiary mniejsze od 0,05mm ) tworzących porowaty układ. W zależności od zawartości w skałach ziaren różnej wielkości mają one różne właściwości fizyczne i mechaniczne. Ziarna lub cząstki mieszczą się w pewnym przedziale średnic . Przedziały te nazywamy frakcjami. Rozróżnia się 5 głównych frakcji PN-86/B-02480 Ziarna mają wymiar >=0,05 mm, cząstki < 0,05 mm

2. Skład granulometryczny Dla oznaczenia składu granulometrycznego ( uziarnienia ) stosuje się najczęściej trzy metody : analizę sitową dla uziarnienia > 0,07 mm analizę sitowo-areometryczną dla ośrodków drobnoziarnistych zawierających dużą ilość cząstek mniejszych od 0,07 mm, analizę pipetową , jak w przypadku areometrycznej Analiza sitowa polega na przesiewaniu wysuszonego gruntu przez zestaw sit o określonych wymiarach oczek i obliczeniu procentowej zawartości ciężarowej ziaren pozostających na kolejnych sitach w stosunku do całkowitego ciężaru badanej próbki. Zawartość poszczególnych frakcji oblicza się ze wzoru:

2. Skład granulometryczny Zawartość frakcji o rozmiarach ziaren między dwoma sąsiednimi sitami, Masa frakcji pozostałej na sicie i Masa szkieletu gruntowego całej próbki Znając zawartość poszczególnych frakcji wykonuje się wykres uziarnienia . Z wykresu uziarnienia można wyznaczyć procentowe zawartości poszczególnych frakcji oraz pewne charakterystyczne średnice ( d10, d50, d60 itp.) , gdzie d10, d50, d60 oznacza średnicę ziarna ( cząstki ) , które wraz z mniejszymi stanowią 10, 50, 60 % ogólnej masy próbki.

2. Skład granulometryczny

2. Skład granulometryczny W hydrologii do określania przepuszczalności skały stosuje się miedzy innymi pojęcie tzw. średnicy miarodajnej dm Przez średnicę miarodajną rozumiemy taką wielkość ziaren gruntu, która w zbiorze ziaren o różnej średnicy decyduje o przepuszczalności gruntu. Najczęściej za średnicę miarodajną przyjmuje się wartość d10 ( oznacza średnicę ziarna ( cząstki ) , które wraz z mniejszymi stanowią 10 % ogólnej masy próbki ). Wyróżnia się grunty równoziarniste lub różnoziarniste

2. Skład granulometryczny Miarą różnoziarnistości jest tzw. wskaźnik różnoziarnistości U U<= 5 grunt równoziarnisty ( piaski wydmowe, lessy), 5<U<15 grunt różnoziarnisty ( gliny holoceńskie), U>15 grunt bardzo różnoziarnisty (pospółki, gliny zwałowe )

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Z porowatością skał związane są dwie ich właściwości, ważne z hydrologicznego punktu widzenia : przepuszczalność pojemność wodna Pory gruntu łączą się w skomplikowane układy tworząc kanaliki, które traktować można jako naczynia kapilarne. Kapilary te umożliwiają przemieszczanie się ( przepływ) cieczy pod wpływem siły ciężkości lub różnicy ciśnień oraz zatrzymanie przez skałę pewnej ilości cieczy siłami kapilarnymi Stopień przepuszczalności zależy przede wszystkim od wymiarów porów; im pory są większe , tym ciecz łatwiej przenika przez skałę .

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Średnica kapilar gruntowych zależy głównie od wielkości ziaren, zatem grunt gruboziarnisty uważać będziemy za dobrze przepuszczalny, grunty drobnoziarniste za słabo lub praktycznie nieprzepuszczalne. W gruntach spoistych ( gliny, iły ) pory są zwykle prawie całe wypełnione wodą związaną z cząsteczkami gruntu siłami międzycząsteczkowymi ( woda higroskopijna i błonkowa ) i trzeba dość znacznego ciśnienia , aby pokonać opór sił molekularnych i zapoczątkować przepływ wody przez grunt. Ilość wody zatrzymywanej trwale siłami kapilarnymi i molekularnymi wzrasta w miarę zwiększania się ilości kapilarów i rozdrobnienia cząstek. Jeżeli ze skały o pewnej objętości, woda wypełniająca pory będzie mogła swobodnie odsączyć się pod wpływem siły ciężkości, to stwierdzimy , że ilość swobodnie odsączonej wody jest mniejszą niż ilość wody , która wypełniała pory.

Tę właściwość skał do zatrzymywania wody nazywamy pojemnością wodną 3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Część wody zostanie zatrzymana siłami kapilarnymi i międzycząsteczkowymi . Tę właściwość skał do zatrzymywania wody nazywamy pojemnością wodną Rozróżniamy pojemność pełną ( maksymalną MPW ) , polową ( kapilarną PPW)

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Pełną pojemność wodną ma grunt, którego pory są całkowicie wypełnione wodą. Przez polową pojemność wodną określamy maksymalna ilość wody, która może być zatrzymana przez grunt po grawitacyjnym odsączeniu.

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Wartość pojemności polowej określa się zwykle jako wilgotność, którą osiąga nasycona próbka gleby ( gruntu) po 2 do 3 dniach grawitacyjnego odsączania . Pojemność wodną podajemy w milimetrach słupa wody w określonej miąższości profilu glebowego, odpowiada ona stosunkowi objętości wody na jednostkę powierzchni gleby. Jeżeli np. pojemność wodna wynosi 100mm/m oznacza to że w prostopadłościanie o podstawie 1m2 i wysokości 1m znajduje się 100dm3 wody (Vw= 0,1m* 1,0m2= 0,1m3 )

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Dostępna pojemność wodna PPW polowa pojemność wodna WTW wilgotność trwałego więdnięcia Odgrywa istotną rolę w gospodarce wodnej roślin, odpowiada maksymalnej ilości wody, jaką mogą pobrać rośliny z gleby przy braku opadów i podciągu kapilarnego z wód podziemnych. Orientacyjną wartość dPW określić można na podstawie uziarnienia , zawartości części organicznych i zagęszczenia gleby.

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Krzywa retencji wody strefy areacji ( wykres ciśnienia ssącego ) hc wysokość ciśnienia kapilarnego

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Orientacyjne wysokości ciśnienia ssącego w zależności od średnicy porów

3. Przepuszczalność i pojemność wodna skał Stosunek wody odsączonej grawitacyjnie do całkowitej objętości skały nazywa się „ współczynnikiem odsączalności” Współczynnik odsączalności Objętość wody odsączonej grawitacyjnie Objętość skały (szkieletu wraz z porami) Wartość współczynnika odsączalności wynosi orientacyjnie Piaski drobnoziarniste 0,14-0,18 Piaski gruboziarniste 0,19-0,23 żwir 0,24-0,28

4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał W petrografii skały dzieli się na trzy podstawowe grupy magmowe, metamorficzne, osadowe Petrografia – (od greckiego πέτρα (petra) - skała i γράφω (graphō) - pisać) nauka o skałach, zajmująca się składem i właściwościami fizycznymi i chemicznymi Skały magmowe Za typowy dla skał magmowych, głębinowych można uważać granit. W związku z bardzo małą porowatością , przeciętnie 0,76% nie stanowi on ośrodka gromadzącego i przewodzącego wodę. Jedynie w przypadku dobrze rozwiniętego systemu szczelin granity mogą tworzyć zbiornik wodny o niedużej zasobności. http://panoramix.ift.uni.wroc.pl/~ilona/obrazki/przekroj.jpg

Współczynnik porowatości niektórych skał 4. Charakterystyka hydrogeologiczna skał Współczynnik porowatości niektórych skał

HYDROGEOLOGIA OGÓLNA OCHRONA WÓD PODZIEMNYCH Wykład nr 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 Wykład nr 1 HYDROGEOLOGIA OGÓLNA