Przepływy wód podziemnych http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students/lecture_notes05/lecture_notes05/sp-v03-ch4.pdf Przepływy wód podziemnych Formacje geologiczne, które mogą zawierać wodę dzielą się na warstwy wodonośne (aquifer) warstwy nieprzepuszczalne (aquiclude) warstwy słaboprzepuszczalne (aquitard) Warstwy wodonośne mogą przez długi czas (w skali geologicznej) pozostawać nieskonsolidowane. W takiej warstwie matryca skalna może utrzymywać jedynie średniej wartości ciśnienie. Taka warstwa jest trwała, dopóki jej pory są całkowicie wypełnione wodą (woda ma ściśliwość podobną do ściśliwości piaskowca). Kiedy taka warstwa wyschnie, to pory się zamykają pod wpływem ciężaru materiału znajdującego się wyżej. Grunt zapada się i warstwa wodonośna zostaje zniszczona wskutek zamykania się porów. Gruboziarniste warstwy wodonośne powstają zwykle w górnym biegu rzek, szczególnie wypływających z lodowców, gdzie energia kinetyczna płynącej wody jest jeszcze dostatecznie duża, by nieść materiał gruboziarnisty. Wijąca się rzeka poniżej lodowca Haute Glacier d’Arolla w Szwajcarii. Wiele warstw wodonośnych pochodzi od takich glacjofluwialnych osadów. Dawniej jednak skale przestrzenne były znacznie większe. W okresie interglacjalnym i pod koniec ostatniego zlodowacenia – setki kilometrów. Zarówno bieg rzek jak i natężenie przepływu ogromnie zmieniały się z czasem. W związku z tym struktura warstw wodonośnych może być bardzo zróżnicowana i wieloskalowa. Przewodność ośrodka porowatego rośnie z kwadratem charakterystycznego rozmiaru porów. Wobec tego, przy takich wieloskalowych utworach możemy się spodziewać skomplikowanych zjawisk hydraulicznych. Wstęp do Fizyki Środowiska

Wieloskalowa warstwa wodonośna Wieloskalowa struktura typowej warstwy wodonośnej. Okolice Nicei. Wstęp do Fizyki Środowiska

Dolina Renu (pionowa skala rozciągnięta) Wstęp do Fizyki Środowiska Szkic przekroju rowu Renu -- warstwy nieprzepuszczalne -- warstwy wodonośne (pionowa skala rozciągnięta) vadose zone – strefa aeracji unconfined aquifer – warstwa wodonośna swobodna (o swobodnym zwierciadle) confined aquifer – napięta (naporowa) warstwa wodonośna gravel – żwir sand – piasek sediment – osad bedrock – skała macierzysta river -- rzeka http://www.mos.gov.pl/dgikg/slownik/wstep.htm BARDZO POŻYTECZNY SŁOWNIK HYDROGEOLOGICZNY Wraz z cyklami lodowcowymi tworzą się skomplikowane wielowarstwowe utwory geologiczne. Niektóre warstwy pod naporem lodowca ulegają kompresji i konsolidacji. Inne pozostają przepuszczalne lub półprzepuszczalne. Rzeka Ren płynie w rowie pomiędzy Schwarzwaldem a Wogezami. Rów ten w ciągu ostatnich kilku milionów lat zapadał się i nadal zapada się w tempie ok. 1 mm/rok. Rzeka Ren nieustannie wypełnia pogłębiający się rów osadami, których struktura w okresach zlodowaceń i w okresach interglacjalnych ogromnie się różni. Materiał gruboziarnisty (żwir, piasek) ewoluuje w warstwy wodonośne, a drobnoziarnisty (glina) tworzy warstwy nieprzepuszczalne i słaboprzepuszczalne. Wstęp do Fizyki Środowiska

Skonsolidowane warstwy wodonośne W procesie konsolidacji materiał zachowuje znaczną część pierwotnej porowatości. Tak jest np. w przypadku piaskowca. Skały wulkaniczne są w większości również porowate i przepuszczalne, choć porowatość i przepuszczalność może być bardzo różna. Skały krystaliczne i metamorficzne, jak granit czy gnejs mają bardzo małą porowatość, zwykle poniżej 1%, i niezwykle małą przepuszczalność. Porowatość i przepuszczalność mogą się bardzo powiększyć, gdy skała ulegnie spękaniu wskutek procesów tektonicznych lub zmniejszy się nacisk pionowy wskutek erozji wyższych warstw. Woda w spękaniach powoduje rozpuszcza i wypłukuje minerały tworząc system porów o wielkiej przepuszczalności. Efekt ten jest jeszcze większy w przypadku skał osadowych, takich jak wapień, który rozpuszcza się bardzo łatwo. Powstają duże kanały, jaskinie, a nawet podziemne rzeki. Są to tzw. zjawiska krasowe. 2 m Kamieniołom Mauer w okolicach Heidelbergu. Miejsce słynne z odkryć archeologicznych Homo heidelbergensis Piaskowce są idealnym przykładem sztywnego ośrodka porowatego. Opis spękanych skał stwarza poważne trudności teoretyczne. Trudno zdefiniować REV. Opis utworów, w których występują zjawiska krasowe wykracza poza ramy teorii ośrodków porowatych. Wstęp do Fizyki Środowiska

Swobodne i napięte warstwy wodonośne piezometr Górna warstwa gruntu, to zwykle strefa wód glebowych zwana strefą aeracji lub strefą nienasyconą. Jej grubość może być różna. Od zera na bagnach, do kilkuset metrów w rejonach suchych. Poniżej jest warstwa wodonośna o zwierciadle swobodnym. Są to tak zwane wody freatyczne. Strefę aeracji od wód freatycznych oddziela strefa wzniosu kapilarnego, a więc strefa gdzie potencjał matrycowy jest już ujemny, ale ośrodek jest nasycony (pory wypełnione). Zwierciadłem wód gruntowych nazywamy poziom, czyli poziom, gdzie ciśnienie w wodzie jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. Poziom ten mierzymy piezometrami. Piezometr nie wskazuje wzniosu kapilarnego. Zwierciadło wód gruntowych może się przemieszczać, a więc grubość warstwy może się zmieniać. powietrze atmosferyczne strefa aeracji (nienasycona) wysokość piezometryczna napiętej warstwy wodonośnej strefa wzniosu kapilarnego warstwa wodonośna swobodna warstwa nieprzepuszczalna warstwa wodonośna napięta warstwa nieprzepuszczalna Napięta warstwa wodonośna (warstwa naporowa) jest ograniczona od góry przez nieprzepuszczalny lub półprzepuszczalny strop, a od dołu przez spąg. Jej grubość nie zmienia się i nie ma w niej swobodnego zwierciadła wody. Piezometry pokazują poziom wyższy niż poziom stropu. Jest to tzw. wysokość piezometryczna w warstwie naporowej. Utożsamiamy ją z potencjałem oraz z wysokością hydrauliczną. Wysokość piezometryczna może być powyżej gruntu. W takim przypadku woda ze studni wierconej będzie samoistnie wypływała. Takie studnie artezyjskie drążone są w wielu rejonach świata, np. na obszarze Wielkiej Równiny Północnoamerykańskiej, w niecce Paryża oraz Wielkim Zbiorniku Artezyjskim w Australii. Wstęp do Fizyki Środowiska

Dynamika przepływu w warstwie napiętej Zachowanie masy Prawo Darcy „storage” term (wyraz „pojemnościowy”) Ściśliowść współczynnik odsączalności związany ze ściśliwością Potencjał został zastąpiony przez ciśnienie, bo zakładamy, że mamy do czynienia z ośrodkiem nasyconym „flux” term (wyraz „strumieniowy”) Dla uproszczenia przyjmujemy, że przewodność jest izotropowa i jest funkcją ciśnienia . Przekształcamy: Wstęp do Fizyki Środowiska

Dynamika przepływu w warstwie napiętej Przenikalność skaluje się z kwadratem charakterystycznego rozmiaru porów. Argument: przepływ w skali „mikro” – równanie Stokesa Związek między i jest więc liniowy. Obie strony r-nia Stokeas muszą sie skalować jednakowo, więc bezwymiarowa f-cja zależna od geometrii, ale nie od skali WNIOSEK: Przenikalność i przewodność skalują się z kwadratem charakterystycznego rozmiaru porów w większości ośrodków Z poprzedniej strony według prostego modelu deformacji, w którym matryca ulega kompresji, a woda nie. Wtedy w wyniku kompresji przenikalność rosnie! Ostatecznie: W ośrodkach o małej ściśliwości ten wyraz jest pomijalny! Wstęp do Fizyki Środowiska

Dynamika przepływu w warstwie napiętej Równanie opisujące przepływ w warstwie napiętej (naporowej) Współczynnik dyfuzji ciśnienia Wstęp do Fizyki Środowiska

Rozwiązania równania przepływu Pompowanie dipolowe w jednorodnym przepływie. Niebieski – ekstrakcja, czerwony – injekcja Linie ciemne – izobary, linie białe – linie prądu, kolor - cisnienie Pojedyncza studnia w jednorodnym przepływie. Linie ciemne – izobary, linie białe – linie prądu Kolor zielony – obszar wychwytu studni Wstęp do Fizyki Środowiska

Warstwa wodonośna piaskowca Wstęp do Fizyki Środowiska

Wstęp do Fizyki Środowiska Zadania http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students/lecture_notes05/lecture_notes05/sp-v03-ch3.pdf Wstęp do Fizyki Środowiska