hydrogeologia

Hydrogeologia - nauka o wodach podziemnych, procesach wzajemnego oddziaływania
hydrosfery (podziemnej), litosfery, atmosfery, biosfery oraz człowieka. Zajmuje si

badaniem

genezy, warunków wyst

powania i kr

ąŜ

enia oraz wła

ciwo

ci fizyczno – chemicznych wód

podziemnych.
Wody podziemne – wody wyst

puj

ce pod powierzchni

ziemi w wolnych przestrzeniach

skalnych posiadaj

ce zdolno

ść

ruchu w wyniku działania siły ci

ęŜ

ci.

Woda jest w ci

głym ruchu czyli podlega procesowi kr

ąŜ

enia. Obieg wody w skali kuli ziemskiej,

obejmuj

cy procesy parowania i opadów nad morzami i zbiornikami

ródl

dowymi, kr

ąŜ

enia wód

gruntowych i zmian zasobów pokryw lodowych to CYKL HYDROLOGICZNY. Jego motorem jest
energia słoneczna, siła grawitacji i przyci

ganie ksi

ęŜ

yca.

Całkowit

obj

ść

wody na kuli ziemskiej szacuje si

na około 1459 mln km3, z czego prawie

96 % to wody mórz i oceanów, nieco poni

ej 3% jest zmagazynowane w lodowcach i

dolodach. Około 1% stanowi woda podziemna, natomiast wody powierzchniowe to zaledwie

setne cz

ęś

ci procenta, a woda w atmosferze to 0,001%.

Retencja gruntowa - podziemna – „zatrzymanie” w obiegu wody opadowej wsi

kaj

cej w

gleb

, grunt czy skał

. Zwykle woda nie jest zatrzymana w sensie dosłownym, lecz tempo jej

obiegu na tym odcinku zostaje bardzo zwolnione. Zale

y od: wielko

ci opadów, odpływu i

parowania
Wody podziemne powstaj

głównie dzi

ki infiltracji (wsi

kaniu) opadów atmosferycznych, a

niekiedy równie

wód powierzchniowych – wody o tej genezie s

typu infiltracyjnego.

Infiltracja efektywna Ie - cz

ęść

wód pochodz

ca z opadów atmosferycznych, pomniejszona o

obj

ść

wody zwi

zanej siłami molekularnymi z ziarnami w strefie aeracji, przedostaj

ca si

strefy saturacji i zasilaj

ca wody podziemne.

Ie- zwykle zawiera si

w granicach od 16 do 25 % (kilka % gdy na pow. wyst

puj

iły i nawet

30% gdy na pow.

wiry). W Polsce przyjmuje si

e jest to

rednio około 18%.

•

wielko

ść

opadów atmosferycznych

•

ilo

ść

opadów w czasie (inf. wi

ksza gdy opad jest mniejszy ale trwa dłu

ej)

•

temperatura i wilgotno

ść

powietrza (du

a wilgotno

ść

to mniejsze parowanie i wy

sza inf.)

•

przepuszczalno

ść

gruntów (wy

sza przepuszczalno

ść

to wy

sza inf.)

•

nachylenie powierzchni terenu (na terenie płaskim wi

ksza inf.)

•

linno

ść

, zabudowania i działalno

ść

człowieka(zmniejszaj

infiltracj

)

•

stopie

przemarzni

cia gruntu i nasycenia wod

(zmniejszaj

infiltracj

)

•

kondensacyjne – powstałe z kondensacji (skroplenia) pary wodnej zawartej w powietrzu
wypełniaj

cym pory i wolne przestrzenie w skałach. Ciepłe i wilgotne powietrze

wchodz

ce w

rodowisko skalne ochładza si

, a przy spadku temperatury do punktu

rosy, czyli temperatury przy której para wodna w powietrzu osi

ga stan nasycenia,

nast

puje kondensacja i wydzielenie wody.

•

e – wydzielone podczas termicznej metamorfozy skał podczas, gdy

minerały nietrwałe w podwy

szonej temperaturze, ulegaj

przeobra

eniu

•

e – powstaj

ce podczas dyferencjacji magmy jako hydrotermalne roztwory

wydzielane w ostatnim etapie procesu krzepni

cia magmy. Cz

ęść

z nich mo

e wypływa

na powierzchni

w postaci gor

cych

ródeł lub gejzerów

•

e – stare wody uwi

zione w osadach, wył

czone z systemu kr

ąŜ

enia i

wyst

puj

ce obecnie na wi

kszych gł

boko

ciach, silnie zmineralizowane:

•

reliktowe pochodzenia sedymentacyjnego – wody dawnych osadów morskich lub
jeziornych odizolowane w macierzystych skałach,

•

reliktowe pochodzenia kopalnego – wody atmosferyczne odci

te od systemu kr

ąŜ

enia

w wyniku procesów geologiczne

Warstwa wodono

na zbudowana jest ze skał, które mog

gromadzi

, przewodzi

i oddawa

wod

woln

w wyniku działania siły ci

ęŜ

ci. Aby mo

liwe było akumulowanie i przewodzenie

wody wolnej, skała musi wykazywa

: porowato

ść

(lub szczelinowato

ść

, krasowato

ść

) i

przepuszczalno

ść

hydrauliczn

porowato

ść

polega na wyst

powaniu w skale drobnych pró

ni i kanalików mi

dzy

poszczególnymi ziarnami mineralnymi, porowato

ść

zale

y od jednorodno

ci uziarnienia,

uło

enia i kształtu ziaren (nie zale

y od wielko

ci ziaren skalnych)

przepuszczalno

ść

hydrauliczna (wodoprzepuszczalno

ść

) – zdolno

ść

do przewodzenia wody

wolnej w wyniku ró

nicy ci

nie

hydrostatycznych; mo

liwe jest to, gdy pró

nie i pustki w skale

ze sob

poł

czone, oraz gdy maj

one odpowiednio du

e wymiary (gdy wymiary pró

ni s

bardzo małe, woda zostaje zwiazana siłami mi

dzycz

steczkowymi i staje si

niezdolna do

ruchu, np. w iłach). Wodoprzepuszczalno

ść

zale

y wi

c od wielko

ci i ilo

ci porów, kształtu

ziaren skalnych, lepko

ci i temperatury wody.

Miar

przepuszczalno

ci hydraulicznej (wodoprzepuszczalno

ci) skał i gruntów jest

współczynnik filtracji - k
Zgodnie z liniowym prawem filtracji Darcy’ego okre

la zale

ść

dzy spadkiem

hydraulicznym a pr

dko

filtracji wody. Współczynnik filtracji ma miano pr

dko

ci.

Współczynnik filtracji zale

y od: filtracyjnych własno

ci o

rodka skalnego, przede wszystkim

od uziarnienia, oraz od fizycznych własno

ci filtruj

cej cieczy (ci

ęŜ

ar wła

ciwy, temperatura,

lepko

ść

Prawo Darcy’ego - liniowe do

wiadczalne prawo filtracji wyra

ce proporcjonalno

ść

dko

filtracji do spadku hydraulicznego.
v = k I gdzie: v - pr

dko

ść

filtracji [LT-1]; k - współczynnik filtracji [LT-1]

I - spadek hydrauliczny wyra

cy si

wzorem:

I =

H/L gdzie: H - wysoko

ść

hydrauliczna [L]; L - droga filtracji [L]

v – jest pozorn

dko

filtracji,

rzeczywista pr

dko

ść

filtracji w = v/ne =k*I/ne

Poniewa

współczynnik porowato

ci efektywnej - ne jest zawsze <1,

rzeczywista pr

dko

ść

filtracji jest zawsze wi

ksza od pr

dko

ci fikcyjnej.

przepuszczalne –

wiry, piaski, pospółki, skały lite silne szczelinowate;

półprzepuszczalne – piaski gliniaste, ilaste, gliny piaszczyste, torfy, namuły;

nieprzepuszczalne – gliny, iły, mułki, skały lite nieszczelinowate;

W zale

ci od rodzaju pustek skalnych wyró

nia si

wody:

•porowe – wody wyst

puj

ce w skałach okruchowych, sypkich, ziarnistych i wolnych

przestrzeniach pomi

dzy ziarnami skalnymi

•szczelinowe - wyst

puj

ce w szczelinach sp

kanych skał

•krasowe – wody przepływaj

ce w pustkach skalnych powstałych w procesach krasowych

Zwierciadło wód podziemnych to poziom, do którego wznosi si

woda wolna zawarta w

rodowisku skalnym. Jest ono granic

dwóch stref: strefy aeracji – czyli napowietrzenia i strefy

saturacji – nasycenia wod

W strefie aeracji pustki skalne wypełnia powietrze i woda wyst

puj

ca w postaci pary wodnej,

wody zwi

zanej (woda higroskopijna, błonkowata), wody kapilarnej oraz wody wolnej –

zawieszonej i wsi

kowej.

W strefie saturacji wolne przestrzenie (pory, szczeliny, pró

nie krasowe) wypełnione s

całkowicie wod

. Górn

granic

strefy saturacji jest zwierciadło wód podziemnych, doln

stanowi strop utworów wodoszczelnych.
Tak rozumiane zwierciadło wód podziemnych to zwierciadło swobodne. Pozostaje ono pod
ci

nieniem atmosferycznym i na ogół na

laduje w przybli

eniu kształt powierzchni terenu.

Ustala si

w otworze wiertniczym na gł

boko

ci, na której zostało nawiercone.

Zwierciadło napi

te – poło

enie i kształt zwierciadła napi

tego wymuszone s

przez wy

Ŝą

ce utwory nieprzepuszczalne. Zwierciadło napi

te znajduje si

pod ci

nieniem wy

szym od

atmosferycznego. Je

eli woda taka zostanie nawiercona, to parta ci

nieniem hydrostatycznym

podniesie si

w rurze wiertniczej do okre

lonej wysoko

ci. Wznios ten to ci

nienie

piezometryczne, a poziom na którym si

ustaliło, to zwierciadło ustalone (ustabilizowane)

Charakter przepuszczalno

Współczynnik filtracji
[m/s]

Bardzo dobra
(

wiry, piaski grubo- i ró

noziarniste, skały masywne z bardzo g

sieci

drobnych szczelin)

>10

-3

Dobra
(piaski gruboziarniste lekko ilaste, piaski

rednio- i ró

noziarniste,

skały masywne z g

sieci

drobnych szczelin)

-3

-10

-4

rednia

(piaski drobnoziarniste i równomiernie uziarnione, lessy)

-4

- 10

-5

Słaba
(piaski pylaste, gliniaste, mułki, skały masywne z rzadk

sieci

drobnych sp

)

-5

- 10

-6

Skały półprzepuszczalne
(gliny i iły piaszczyste, namuły, torfy)

-6

- 10

-8

Skały nieprzepuszczalne
(iły, zwarte gliny, margle, skały masywne niesp

kane)

<10

-8

Charakter przepuszczalno

Współczynnik filtracji
[m/s]

Bardzo dobra
(

wiry, piaski grubo- i ró

noziarniste, skały masywne z bardzo g

sieci

drobnych szczelin)

>10

-3

Dobra
(piaski gruboziarniste lekko ilaste, piaski

rednio- i ró

noziarniste,

skały masywne z g

sieci

drobnych szczelin)

-3

-10

-4

rednia

(piaski drobnoziarniste i równomiernie uziarnione, lessy)

-4

- 10

-5

Słaba
(piaski pylaste, gliniaste, mułki, skały masywne z rzadk

sieci

drobnych sp

)

-5

- 10

-6

Skały półprzepuszczalne
(gliny i iły piaszczyste, namuły, torfy)

-6

- 10

-8

Skały nieprzepuszczalne
(iły, zwarte gliny, margle, skały masywne niesp

kane)

<10

-8

Charakter przepuszczalno

Współczynnik filtracji
[m/s]

Bardzo dobra
(

wiry, piaski grubo- i ró

noziarniste, skały masywne z bardzo g

sieci

drobnych szczelin)

Bardzo dobra
(

wiry, piaski grubo- i ró

noziarniste, skały masywne z bardzo g

sieci

drobnych szczelin)

>10

-3

>10

-3

Dobra
(piaski gruboziarniste lekko ilaste, piaski

rednio- i ró

noziarniste,

skały masywne z g

sieci

drobnych szczelin)

Dobra
(piaski gruboziarniste lekko ilaste, piaski

rednio- i ró

noziarniste,

skały masywne z g

sieci

drobnych szczelin)

-3

-10

-4

-3

-10

-4

rednia

(piaski drobnoziarniste i równomiernie uziarnione, lessy)

rednia

(piaski drobnoziarniste i równomiernie uziarnione, lessy)

-4

- 10

-5

-4

- 10

-5

Słaba
(piaski pylaste, gliniaste, mułki, skały masywne z rzadk

sieci

drobnych sp

)

Słaba
(piaski pylaste, gliniaste, mułki, skały masywne z rzadk

sieci

drobnych sp

)

-5

- 10

-6

-5

- 10

-6

Skały półprzepuszczalne
(gliny i iły piaszczyste, namuły, torfy)

-6

- 10

-8

-6

- 10

-8

Skały nieprzepuszczalne
(iły, zwarte gliny, margle, skały masywne niesp

kane)

Skały nieprzepuszczalne
(iły, zwarte gliny, margle, skały masywne niesp

kane)

<10

-8

<10

-8

Wody podziemne pod ci

nieniem (naporowe) mog

charakteryzowa

zwierciadłem

stabilizujacym si

ponad powierzchni

terenu. Mówimy wtedy o ci

nieniu artezyjskim

Wody podziemne wyst

puj

jako:

wody wolne – wykazuj

ce zdolno

ść

przemieszczania si

pod wpływem siły ci

ęŜ

ci i ró

nicy

nie

hydrostatycznych

wody zwi

zane – nie ods

czaj

ce si

pod wpływem siły ci

ęŜ

ci, nie przenosz

nie

hydrostatycznych, utrzymywane w

rodowisku skalnym siłami molekularnymi wi

kszymi od siły

ęŜ

ci (woda higroskopijna, błonkowata, kapilarna)

Wody higroskopijne – wody zwi

zane powstaj

ce na skutek adsorbowania przez ziarna drobin

pary wodnej z powietrza w strefie aeracji. Charakteryzuj

a g

sto

około 2 g/dm3,

zamarzaj

w temperaturze – 78ºC.

Wody błonkowate – wody zwi

zane powstaj

ce na skutek wi

zania drobin ciekłej wody przez

ziarna mineralne dzi

ki siłom elektrycznym działaj

cym pomi

dzy cz

steczk

mineraln

steczk

wody, maj

sto

ść

około 1 g/dm3, temperatur

zamarzania < 0 º C.

Wilgotno

ść

molekularna - ilo

ść

wody błonkowatej zawartej w skale. Zale

y od

rednicy ziaren

(wilgotno

ść

tym wi

ksza im mniejsza jest

rednica ziaren). Dla grubego piasku wynosi około

1,5% suchej masy, a dla iłów nawet ponad 40%.

Woda kapilarna – woda (zwi

zana/wolna), która podnosi si

ponad zwierciadło swobodne na

skutek zjawiska włoskowato

ci (tzn.

e w bardzo w

skich rurkach zanurzonych w cieczy poziom

wody podnosi si

do pewnej wysoko

ci lub opada na skutek działania sił molekularnych

działaj

cych na granicy ciała stałego i cieczy (siły spójno

ci i przylegania). Podlega sile

ęŜ

ci i przenosi ci

nienie hydrostatyczne

Wielko

ść

wzniosu kapilarnego zale

y od wielko

ci ziaren i wynosi dla

wiru 3 cm, dla piasku

rednioziarnistego 12-35 cm, a dla mułków i lessów 1,2 – 3,5 m.

Na granicy strefy saturacji i aeracji wyst

puje strefa wzniosu kapilarnego:

h = 0,15/r [cm]
gdzie: r -

rednica przewodu kapilarnego

W zale

ci od gł

boko

ci wyst

powania wód podziemnych oraz warunków geologicznych

wyró

niamy nast

puj

ce typy wód w strefie saturacji:

wody gruntowe – oddzielone od powierzchni ziemi mniej lub bardziej mi

ąŜ

przepuszczaln

stref

aeracji (maj

zwierciadło swobodne), zasilane bezpo

rednio z powierzchni ziemi przez

infiltruj

ce opady atmosferyczne, a wi

c obszar ich zasilania jest równy co do zasi

gu z

obszarem ich rozprzestrzenienia. Maj

znaczenie u

ytkowe, s

uci

ąŜ

liwe w budownictwie.

wody przypowierzchniowe (zaskórne) – wyst

puj

bardzo płytko pod powierzchni

ziemi i

praktycznie pozbawione s

strefy aeracji, zasilanie przez wody opadowe i gruntowe, s

uci

ąŜ

liwe w budownictwie.

Obszar wody
przypowierzchniowej

Zwierciadło wody
gruntowej

Woda błonkowata

Woda higroskopijna

wody wgł

bne – równie

zasilane przez opady atmosferyczne, lecz znajduj

warstwach wodono

nych pokrytych utworami nieprzepuszczalnymi. S

to wody o zwierciadle

napi

tym – naporowe.

wody gł

binowe – znajduj

gł

boko pod powierzchni

ziemi, izolowane całkowicie wieloma

kompleksami utworów nieprzepuszczalnych. Nie s

zasilane ani odnawiane, s

silnie

zmineralizowane, s

to zwykle stare wody reliktowe lub sedymentacyjne. Wyst

puj

zwykle pod

ym ci

nieniem, które jednak przy ich eksploatacji ulega obni

eniu na skutek braku zasilania.

Rzeka drenuj

ca - rzeka zasilana przez wody podziemne z warstwy wodono

nej, przez któr

przepływa i któr

drenuje. Ma to miejsce wtedy, gdy zwierciadło wód podziemnych znajduje si

ej, ni

poziom wody w rzece.

Rzeka infiltruj

ca - rzeka zasilaj

ca wody podziemne. Ma to miejsce wtedy, gdy zwierciadło

wód podziemnych znajduje si

ej, ni

poziom wody w rzece.

ródło – samoczynny, naturalny wypływ wody podziemnej na powierzchni terenu, lub w dnie

zbiornika wodnego. Wyst

puje w miejscu, gdzie powierzchnia terenu przecina warstw

wodono

STREFA

TYPY WODY

STAN FIZYCZNY

RODZAJE

AERACJI

wody higroskopijne

wody zwi

zane

wody błonkowate

wody kapilarne

wody wsi

kowe

wody wolne

wody porowe

wody

szczelinowe

wody krasowe

wody zawieszone

SATURACJI

wody

przypowierzchniowe

wody gruntowe

wody wgł

bne

wody gł

binowe

STREFA

TYPY WODY

STAN FIZYCZNY

RODZAJE

AERACJI

wody higroskopijne

wody zwi

zane

wody błonkowate

wody kapilarne

wody wsi

kowe

wody wolne

wody porowe

wody

szczelinowe

wody krasowe

wody zawieszone

SATURACJI

wody

przypowierzchniowe

wody gruntowe

wody wgł

bne

wody gł

binowe

STREFA

TYPY WODY

STAN FIZYCZNY

RODZAJE

AERACJI

wody higroskopijne

wody zwi

zane

wody zwi

zane

wody błonkowate

wody kapilarne

wody wsi

kowe

wody wsi

kowe

wody wolne

wody porowe

wody

szczelinowe

wody krasowe

wody porowe

wody

szczelinowe

wody krasowe

wody zawieszone

SATURACJI

wody

przypowierzchniowe

wody

przypowierzchniowe

wody gruntowe

wody wgł

bne

wody wgł

bne

wody gł

binowe

wody gł

binowe