”WODA -
podstawa
ż
ycia i cywilizacji"
M. Nawalany
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Warszawska
”WODA -
podstawa
ż
ycia i cywilizacji"
M. Nawalany
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Warszawska
„Panta rhei” – „Wszystko płynie”
(Heraklit z Efezu: 540 – 480 p.n.e.)
Etymologia słowa „woda”
sanskryt
– vis
greka
-
hýdōr (ίδόρ)
łacina
– aqua
j. germańskie
– water
j.słowiańskie
- woda
SUSZA
- długotrwały brak wody w przyrodzie. Susz
ę
poprzedza
okres niewielkich opadów lub ich brak (susza atmosferyczna), a w
wyniku przedłu
ż
ania si
ę
niedoboru opadów nast
ę
puje przesychanie
coraz gł
ę
bszych warstw gleby (susza glebowa). Ostatni
ą
faz
ą
jest
susza hydrologiczna - obni
ż
eniu ulega poziom wód podziemnych,
zmniejsza si
ę
przepływ w rzekach, wysychaj
ą ź
ródła, a nawet
mniejsze cieki wodne. Bezpo
ś
rednim skutkiem suszy jest zakłócenie
naturalnego bilansu wodnego danego obszaru
.
RZGW Kraków
Powód
ź
- wezbranie wód rzecznych lub morskich,
powoduj
ą
ce wymierne straty, zarówno w sferze spo
ł
ecznej, jak i
materialnej. Przyczyny wyst
ą
pienia powodzi :
intensywne opady deszczu,
roztopy wiosenne,
zatamowanie biegu rzeki przez zatory lodowe czy osuwiska,
uszkodzenie obiektów hydrotechnicznych (np. przerwanie
tamy),
cofka, tsunami i in.
Wielko
ść
powodzi okre
ś
la si
ę
w 3-stopniowej skali:
małe - o zasi
ę
gu lokalnym,
ś
rednie - o zasi
ę
gu regionalnym, nie maj
ą
wp
ł
ywu na
funkcjonowanie pa
ń
stwa,
du
ż
e - o zasi
ę
gu krajowym, maj
ą
charakter kl
ę
ski
ż
ywiołowej, zakłócaj
ą
normalne funkcjonowanie pa
ń
stwa
lub jego du
ż
ej cz
ęś
ci, istnieje wtedy konieczno
ść
pomocy
mi
ę
dzynarodowej.
Konflikty o wodę
• Konflikty na tle ilości wody (niedostatek wody,
wody graniczne)
• Konflikty na tle jakości wody (użytkownicy w
górze i dole rzeki)
• Konflikty na tle wykorzystania zasobów
wodnych (użytkownik – energetyka,
użytkownik ekologia)
• Konflikty na tle dynamiki zasobów (przerwanie
wałów przeciwpowodziowych, dolina Rozpudy)
1162
1998
2000
-
-
-
Slovenia
636
1998
3640000
68
24
36
Spain
1220
1998
108000
2.9
0.28
9.5
United
Kingdom
624
1998
115000
8.9
0.26
3.0
Sweden
824
1998
174000
-
-
-
Slovakia
855
1998
632000
78
8.8
11
Portugal
600-750
1998
100000
8.3
1.4
16
Poland
778
1998
565000
34
2.7
7.9
Netherlands
383
1990
763
25
0.014
0.06
Malta
934
-
-
-
-
-
Luxemburg
656
1995
9247
6.6
0.018
0.27
Lithuania
641
1995
20000
12
0.036
0.29
Latvia
832
1998
2698000
45
20
44
Italy
1118
-
-
0.018
0.00020
1.1
Ireland
589
1998
210000
32
2.5
7.6
Hungary
652
1998
1422000
81
6.2
7.8
Greece
700
1998
485000
20
9.3
47
Germany
867
1998
2000000
10
3.9
40
France
537
1998
64000
2.7
0.066
2.5
Finland
626
1995
3680
4.9
0.0080
0.16
Estonia
703
1998
476000
42
0.54
1.3
Denmark
677
1998
24000
2.1
0.055
2.6
Czech Rep
498
1994
39938
71
0.17
0.24
Cyprus
847
-
-
-
-
-
Belgium
1110
1998
4000
0.99
0.021
2.1
Austria
12792628
51
123
241
EU-25
Annual rain
fall
(mm/year)
Year of
irrigation data
Irrigated land
(ha)
Agricultural
water use
(as % of total
water use)
Agricultural
water use
(km
3
/year)
Total
water use
(km
3
/year)
Country
Cele polityki w dziedzinie
wody:
• 1. zaopatrzenie ludności w wodę pitną
• 2. dostawa wody dla rolnictwa, przemysłu
i gospodarki komunalnej
• 3. ochrona środowiska wodnego oraz
ekosystemów wodnych i od wody
zależnych
4. ograniczenie skutków powodzi i suszy
.
Narzędzia polityki w
dziedzinie wody
• Nauka -
HYDROLOGIA
• Zintegrowane zarządzanie zasobami
wodnymi (ang. IWRM)
• Uregulowania prawne (Ramowa
Dyrektywa Wodna,
Prawo Wodne
)
• Narzędzia ekonomiczne
• Innowacyjne technologie
Etymologia słowa
„hydrologia”
hýdōr (ίδόρ)
- 'woda'
lógos (λόγωσ)
- 'mowa; słowo;
wypowiedź; wiadomość;
opowieść; księga; rachunek; myśl;
opinia; dowód; wartość; stosunek'
logia
- 'zbiór; kolekcja'
„Natura jest ciągłym ruchem
materialnych i niepodzielnych
cząstek (atomów), których połączenie
daje w efekcie różnorodne ciała”
(Demokryt z Abdery : 460 – 370 p.n.e.)
Cząsteczka wody (1)
• H
2
O – najprostszy trwały związek wodoru z tlenem
(88,81% masy – tlen, 11,19% masy - wodór)
• wodór – 1 proton, tlen – 8 protonów
• 36 odmian izotopowych wody (3 izotopy wodoru: H,
D, T oraz 6 izotopów tlenu: O
14
– O
19
)
Tab.1 Względna częstość występowania ważniejszych
odmian izotopowych
5
D
2
16
O
ciężka woda
37
H
2
17
O
204
H
2
18
O
100 000
H
2
16
O
Cząsteczka wody (2)
• H
2
O – prosta cząstka wody;
cząstka dipolowa
(tj. ładunek
dodatni i ujemny są rozsunięte), odległość H-O
wynosi 0,96 Å , odległość H-H wynosi 1,54 Å,
kąt rozwarcia H-O-H wynosi 105°
• H
4
O
2
, H
8
O
4
, ... –
asocjacje cząsteczek wody
• Liczba koordynacyjna (liczba najbliższych sąsiadów)
w krysztale lodu – 4;
układ elementarnej komórki lodu –
heksagonalny
•
Konsekwencje dla anomalnej rozszerzalności wody!
Podstawowe własności wody (2a)
Gęstość wody (a) – anomalna rozszerzalność wody
• Gęstość wody w przedziale (0º C - 3,98º C) wzrasta
• Gęstość wody w przedziale (3,98º C - 100º C) maleje
• Gęstość lodu o 10% mniejsza niż gęstość wody
w temp. 0º C – wynosi 916,80 kg/m
3
999,13
15
999,73
10
999,99
5
1000,00
3,98
999,87
0
Gęstość, kg/m
3
Temperatura, ºC
Cząsteczka wody (3)
Tab.2 Temperatury topnienia i wrzenia związków
pierwiastków VI grupy
-1,8
-51,0
128,6
H
2
Te
-41,5
-60,4
81
H
2
Se
-60,4
-85,6
34
H
2
S
siarkowodór
+100,0
0,0
18
H
2
O
-33,5
-77,8
17
NH
3
amoniak
Temp.
Wrzenia
(°C)
Temp.
Topnienia
(°C)
Masa
cząsteczkow
a
Związek
Podstawowe własności wody (1)
5·10
-6
Przewodność elektrolityczna, S/m
1,000
Lepkość dynamiczna, mN s/m
2
72,75
Napięcie powierzchniowe, mN/m (20°C)
4,19
Ciepło właściwe, J/(g K)
2260
Ciepło parowania, J/g
333,75
Ciepło topnienia J/g
+3,98
Temperatura maks. gęstości, °C
+100,00
Temperatura wrzenia, °C
0,0
Temperatura topnienia, °C
998,2
Gęstość, kg/m
3
(20°C)
18,0153
Masa cząsteczkowa
Podstawowe własności wody (2)
Gęstość wody (b) - konsekwencje
•
Lód wypływa na powierzchnię zbiorników
wodnych
• Woda o największym ciężarze właściwym
(temp. 3,98º C) „tonie” i znajduje się na dnie
zbiornika wodnego
• Woda osiąga gęstość lodu dopiero w temp. +70º C
Podstawowe własności wody (3)
Ciepło właściwe wody
• Wśród wszystkich substancji chemicznych woda
odznacza się jedną z największych
wartości ciepła
właściwego – 4186 J/(kg K)
• Oznacza to
dużą pojemność cieplną
wody,
a w konsekwencji
dużą bezwładność (łagodność)
zbiorników wodnych na temperaturowe
wymuszenia zewnętrzne
•
Duża wartość ciepła topnienia lodu
powoduje, że
woda pod lodem jest dobrze izolowana termicznie
Podstawowe własności wody (4)
Napięcie powierzchniowe (n.p.)
•
Def.
Napięcie powierzchniowe jest to praca, jaką należy
wykonać w celu zwiększenia powierzchni cieczy
o jednostkę powierzchni (Nm/m
2
).
• Woda ma największe n.p. z wszystkich cieczy
• Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się wraz
ze wzrostem temperatury
• Wartość n.p. wody zmniejsza się wraz ze wzrostem
zawartości w niej subst. humusowych i rozpuszczalników
organicznych, detergentów itp. ⇒
⇒
⇒
⇒
woda o zmniejszonym
n.p. jest szkodliwa dla organizmów żywych
Podstawowe własności wody (5)
Rozpuszczalność
W wodzie rozpuszczają się ciała stałe, ciecze i gazy
• Każda substancja rozpuszcza się w wodzie
w określonym stopniu (zależnym od: rodzaju
substancji, temperatury i ciśnienia)
•
Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem
ze względu na swoją budowę dipolową
• Woda w naturze nigdy nie wystepuje w postaci
„czystej” – zawsze jest roztworem (jonów)
różnych substancji
HYDROLOGIA
jest nauk
ą
o wodach
wyst
ę
puj
ą
cych w przyrodzie
.
•
Przedmiotem bada
ń
hydrologii
jest
kr
ąż
enie wody w
przyrodzie
z uwzgl
ę
dnieniem jej wła
ś
ciwo
ś
ci fizycznych
i chemicznych
•
Kr
ąż
enie wody w przyrodzie
(tj. rozkład przestrzenny
i dynamika czasowa zasobów i strumieni wody) podlega
w skali globu a tak
ż
e lokalnie :
czynnikom naturalnym
– cz. kosmicznemu
cz. geologicznemu
cz. meteorologicznemu
cz. biologicznemu
czynnikowi antropogenicznemu
Sk
ą
d si
ę
bierze woda w Polsce ?
•
Podstaw
ę
empiryczn
ą
hydrologii stanowi
hydrometria
• Hydrologia jest gał
ę
zi
ą
geofizyki
• Przyj
ę
to traktowa
ć
hydrologi
ę
jako
nauk
ę
o wodach l
ą
dowych – badaniem
wód morskich zajmuje si
ę
oceanologia
Hydrologia
dzieli si
ę
na:
•
hydrometeorologi
ę
-
nauk
ę
zajmuj
ą
c
ą
si
ę
m.in. opadami
i osadami atmosferycznymi
•
potamologi
ę
-
hydrologi
ę
wód płyn
ą
cych
•
limnologi
ę
-
hydrologi
ę
wód stoj
ą
cych
•
geohydrologi
ę
/hydrogeologi
ę
-
nauk
ę
o wodach podziemnych
•
glacjologi
ę
-
nauk
ę
o lodowcach i
ś
niegu
M.Nawalany
Politechnika Warszawska
Definicja
WODY POWIERZCHNIOWE (l
ą
dowe)
zbiorowiska wód, które wraz z rozpuszczonymi w
nich substancjami oraz unosz
ą
cymi si
ę
w nich
cz
ą
stkami stałymi (sedymentem) płyn
ą
po
powierzchni ziemi lub pozostaj
ą
w spoczynku.
M.Nawalany
Politechnika Warszawska
Definicja
WODY PODZIEMNE
zbiorowiska wód, które wraz z innymi cieczami (np.
rop
ą
naftow
ą
) i gazami (np. powietrzem
atmosferycznym, gazem naturalnym) wypełniaj
ą
w
sposób naturalny cz
ęś
ciowo lub całkowicie pory i
szczeliny o
ś
rodka skalnego pod powierzchni
ą
ziemi.
POTAMOLOGIA -
nauka o rzekach,
(powierzchniowych l
ą
dowych wodach
płyn
ą
cych)
Badania potamologiczne dotycz
ą
:
•
sposobu zasilania rzek w wod
ę
•
dynamiki waha
ń
poziomu i przepływu wody
•
zmian temperatury wody
•
zjawisk towarzysz
ą
cych zlodzeniu rzek
•
ruchu rumowiska rzecznego
•
składu chemicznego wody
•
ż
ycia biologicznego w rzekach
•
klasyfikacji rzek
•
topologii sieci rzecznej
LIMNOLOGIA -
nauka o zbiornikach wód
ś
ródl
ą
dowych (z.w.
ś
.)
Badania limnologiczne dotycz
ą
:
•
własno
ś
ci fizycznych, chemicznych oraz termiki
ś
rodowiska wodnego z.w.
ś
.; ich przestrzennego
rozkładu i ewolucji w czasie
•
procesów zasilania i hydrodynamiki przepływu wód
w jeziorach i zbiornikach wodnych
•
wzajemnego oddziaływania z.w.
ś
. z systemem
atmosferycznym i
ś
rodowiskiem wód podziemnych
•
ż
ycia biologicznego w jeziorach i zbiornikach
wodnych
•
zwi
ą
zków pomi
ę
dzy procesami biologicznymi a
hydrodynamik
ą
przepływu wód oraz dynamik
ą
zmian
ich składu chemicznego i temperatury w z.w.
ś
.
GEOHYDROLOGIA/HYDROGEOLOGIA –
nauka o wodach podziemnych i
ś
rodowisku
skalnym w którym wyst
ę
puj
ą
(dział geologii)
Badania geohydrologiczne dotycz
ą
:
• zjawisk i procesów zwi
ą
zanych z wyst
ę
powaniem
wody w skałach skorupy ziemskiej
• własno
ś
ci fizycznych, chemicznych oraz termiki wód
podziemnych z uwzgl
ę
dnieniem ich przestrzennego
rozkładu i ewolucji/przemian w czasie
• procesów zasilania i dynamiki wód podziemnych
• wzajemnego oddziaływaniem wód podziemnych z
systemem atmosferycznym i wodami
powierzchniowymi (rzekami, jeziorami i zbiornikami
)
Badania hydrogeologiczne dotycz
ą
ponadto:
•metodyki poszukiwa
ń
wód podziemnych
•szacowania zasobów wód podziemnych
•ustalania sposobów ich wykorzystania
•projektowania uj
ęć
wód podziemnych
•monitorowania i ochrony zasobów wód
podziemnych
Zasoby wodne
Wyra
ż
enie „
zasoby wodne
” ma dwa
znaczenia:
• obiektywne
– jako miara ilo
ś
ci wody zawartej w
pewnej przestrzeni, [m
3
, km
3
]
oraz
• antropocentryczne
– u
ż
ywane w kontek
ś
cie
zagro
ż
enia/komfortu, jakie stwarza dla człowieka
brak/dostatek odpowiedniej ilo
ś
ci wody o
odpowiedniej jako
ś
ci w odpowiednim miejscu i
czasie, [„niedostateczne”, „wystarczaj
ą
ce”,
„zanieczyszczone”, „efemeryczne”].
Zasoby wodne
Klasyfikacja naturalnych zasobów wodnych:
1.
odnawialne i nieodnawialne
(obiektywna własność możliwości odnowienia zasobów
wodnych przez naturalne zasilanie)
2.
statyczne i dynamiczne
(zmienność w czasie ilości zasobu)
3.
dyspozycyjne
(nadające się do wykorzystania
z uwzględnieniem ograniczeń wynikających
z wymogów środowiska naturalnego)
4.
eksploatacyjne
(część zasobów dyspozycyjnych, które
można w sposób uzasadniony ekonomicznie pozyskać)
Zasoby wodne – bilans zasobów
wodnych
Typy bilansów wodnych - kryterium
czasowe
1.Bilans chwilowy
– szybkość zmian
zasobów wodnych, (m
3
/s, m
3
/d)
2.Bilans okresowy
– całkowita zmiana
wielkości zasobów wodnych w ciągu
ustalonego okresu czasu, (m
3
)
Zasoby wodne – bilans zasobów
wodnych
Typy bilansów wodnych – kryterium
obiektowe
•
Bilans wodny obszaru
(kraju, regionu,
zlewni)
•
Bilans wodny elementu zlewni
(rzeki,
jeziora, warstwy wodonośnej, lodowca)
Zasoby wodne Polski
Opad
– 235 km
3
/rok (600-750 mm/rok)
Parowanie
– 175 km
3
/rok
Odpływ całkowity
– 60 km
3
/rok
w tym
odpływ podziemny
– 35 km
3
/rok
odpływ powierzchniowy
– 25km
3
/rok
Bilans wodny (zlewni)
gdzie
H
E
rzeki
gr
P
rosl
sat
ae
wpow
V
V
V
V
V
R
R
R
R
−−−−
−−−−
−−−−
++++
====
∆∆∆∆
++++
∆∆∆∆
++++
∆∆∆∆
++++
∆∆∆∆
)
0
(
)
(
wpow
wpow
wpow
R
T
R
R
−−−−
====
∆∆∆∆
)
0
(
)
(
ae
ae
ae
R
T
R
R
−−−−
====
∆∆∆∆
)
0
(
)
(
sat
sat
sat
R
T
R
R
−−−−
====
∆∆∆∆
)
0
(
)
(
rosl
rosl
rosl
R
T
R
R
−−−−
====
∆∆∆∆
∫∫∫∫ ∫∫∫∫
Ω
Ω
Ω
Ω
====
T
P
dt
dxdy
t
y
x
P
V
0
)
,
,
(
∫∫∫∫ ∫∫∫∫
ΣΣΣΣ
====
ΣΣΣΣ
T
n
gr
dt
d
t
x
y
x
q
V
0
)
,
,
,
(
∫∫∫∫
====
T
rzeki
rzeki
dt
t
Q
V
0
)
(
∫∫∫∫ ∫∫∫∫
Ω
Ω
Ω
Ω
====
T
E
dt
dxdy
t
y
x
E
V
0
)
,
,
(
∫∫∫∫
====
T
H
H
dt
t
Q
V
0
)
(
Etymologia słowa
„hydrologia”
hýdōr (ίδόρ)
- 'woda'
lógos (λόγωσ)
- 'mowa; słowo;
wypowiedź; wiadomość;
opowieść; księga; rachunek; myśl;
opinia; dowód; wartość; stosunek'
logia
- 'zbiór; kolekcja'
Zasoby wodne Polski
• Suma opadów na terenie Polski –
600 -750mm/rok
– w pasie nizin 500-550 mm/rok
– w rejonach górskich i podgórskich 1100 mm/rok
• Średni odpływ roczny z terytorium Polski ~
63km
3
/rok
(lata 1951-2000)
– waha się w granicach 37,5 – 90 km
3
– w latach suchych mogą powstawać rozległe obszary
z niedoborem wody (w roku 2003 średni roczny odpływ
z terytorium wynosił Polski 42 km
3
, a deficyt wody odczuwany
był na powierzchni 40% kraju)
Zasoby wodne Polski
• Wskaźnik dostępności wody dla ludności –
1600m
3
/mieszkańca/rok
(iloraz średniego rocznego
odpływu do ilości mieszkańców)
– w Europie średnio 4500 m
3
/mieszkańca/rok
• Objętość zwykłych wód podziemnych (zasoby statyczne)
–
3000 km
3
– ze względu na niską odnawialność, zasoby eksploatacyjne –
16 km
3
/rok
– 62% z utworów czwartorzędowych
– 38% z utworów trzeciorzędowych, kredowych i starszych
Zasoby wodne Polski
• Długość rzek ~
95000 km
(22 000 km w gestii RZGW)
• Ilość jezior -
9300
(1% powierzchni Polski), w tym jezior
dużych (>1000 ha) -
34