Wody gruntowe oznaczają tylko jeden typ, ale może to być też zamienne określenie na wody podziemne ogółem. Jest to jednak nieścisłe. Wody gruntowe występują w utworach wodonośnych osadzonych od powierzchni terenu i charakteryzujących się wyraźnie rozwiniętą strefą aeracji. Podobnie jak wody zaskórne są zasilane bezpośrednio w wyniku infiltracji opadów. Wykazują one znaczne związki z powierzchnią terenu i atmosferą, a tym samym temperaturą powietrza atmosferycznego, bo jej wpływ sięga średnio 20 m w głąb, a maksymalnie do 40 metrów.
Wody gruntowe w przeciwieństwie do zaskórnych mają znaczenie użytkowe. Są wykorzystywane gospodarczo do zaopatrzenia w wodę. Związki z powierzchnią mają walor pozytywny (zasilanie infiltracją) i negatywny (łatwo mogą ulegać zanieczyszczeniom pochodzenia antropogenicznego). Jeżeli zlikwidujemy bądź ograniczymy ogniska zanieczyszczeń stosunkowo szybko może dochodzić do samooczyszczania tych wód.
W przypadku wód gruntowych wyróżniamy strefę aeracji i saturacji. Granicą jest zwierciadło wody gruntowej. Pojęcie to odnosimy najczęściej do sytuacji, gdy wykonujemy otwór wiertniczy i na pewnej głębokości ustali się zwierciadło. Problemem jest jednak strefa wzniosu kapilarnego, gdzie część porów wypełniona jest wodą. Jest to przejście stopniowe, ale my go nie widzimy. W otworze nie ma wzniosu, tam ustala się średni poziom z wyraźnie oddzieloną strefą aeracji i saturacji.
Jeśli chodzi o zwierciadło wody podziemnej, najczęściej jest ono nachylone. Rzadko się zdarza żeby było całkowicie płaskie w przypadku wód gruntowych. Wynika to z tego że wody są zasilane infiltracją, co powoduje przepływ przez strefę aeracji i saturacji, aż do strefy drenażu. Tam następuje odbiór wód do cieku powierzchniowego. Zwierciadło wody wykazuje zatem pewne nachylenie. To nachylenie jest bardzo ważne bo decyduje o przepływach. W hydrogeologii określamy nachylenie za pomocą pojęcia spadku hydraulicznego. Jeżeli mamy jakąś warstwę musimy przyjąć jakiś poziom odniesienia – najczęściej poziom morza i wyznaczamy położenie zwierciadła wody w dwóch otworach oddalonych o wartość l i określamy wysokość położenia zwierciadła wody nad poziom odniesienia (h2 i h1).
I = $\frac{\mathbf{h}_{\mathbf{1}}\mathbf{+}\mathbf{h}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{l}}$
Spadek hydrauliczny to stosunek długości do długości, w związku z czym określamy go w ułamku dziesiętnym. Jest pojęciem zbliżonym do spadku rzeki. Spadek hydrauliczny zależy od:
przepuszczalności utworów: Spadki są większe jeżeli przepuszczalność jest słabsza.
zróżnicowania morfologii terenu i
zasilania infiltracyjnego.
Informacja o położeniu zwierciadła jest bardzo istotna i dlatego wykonuje się często pomiary zwierciadła wody gruntowej. Są one wykonywane dla różnych potrzeb, w szczególności w celu wykonania map izoliniowych położenia zwierciadła wody – takie mapy nazywają się mapami hydroizohips. Mapy te mają bardzo ważne znaczenie w hydrogeologii. Są bardzo istotną informacją dla hydrogeologa.
Pomiary zwierciadła wody wykonuje się w celu ustalenia zakresu wahań zwierciadła wody gruntowej. Wahania te mają różną wartość. Mogą sięgać nawet 2-3 m w wyniku czynników naturalnych. Są one szczególnie istotne w geologii inżynierskiej. Musimy między innymi wyznaczyć jaki jest zakres wahań zwierciadła, przy posadowieniu budynków. Są także istotne dla rolnictwa, warunków wegetacji roślin itd.
Następny powód to określenie zmian położenia zwierciadła wody w wyniku eksploatacji wód, poboru wód, odwodnień górniczych i budowlanych. Jest to bardzo istotne, ponieważ położenie zwierciadła wody gruntowej może decydować o warunkach wegetacji roślin. Jeśli obniżamy zwierciadło wody gruntowej możemy wpływać negatywnie na pewne siedliska roślinne.
Ten wpływ może dotyczyć także płytkich ujęć wody – może dojść do wysychania studni, zwłaszcza kopanych, a także zbiorników, stawów, a w skrajnych wypadkach nawet jezior. W hydrogeologii często dokonujemy pomiaru zwierciadła wody, eksploatując wody podziemne w studniach i otworach hydrogeologicznych. Pobierając wodę z otworu, musimy określić zależność funkcyjną między położeniem zwierciadła wody a poborem.
Q= f(s)
S oznacza depresję.
Pomiary zatem mają powszechne znaczenie w górnictwie, rolnictwie, budownictwie, ochronie środowiska itd. Dlatego we wszystkich krajach prowadzi się pomiary zwierciadła wody gruntowej. W Polsce prowadzi je od 1925 IMGW1. Założył on sieć studni, początkowo płytkich kopanych, ujmujących wody gruntowe. Sieć ta liczyła 1600 punktów pomiarowych. W tych punktach zawsze w poniedziałek o 7.00 wykonywano pomiar zwierciadła wody. Wykonywano czasami dodatkowe pomiary temperatury (gruntu, wody, powietrza), ciśnienia, stanu wód powierzchniowych, opadów, grubości pokrywy śnieżnej i głębokości przemarzania gruntów. Dziś sieć tych punktów uległa znacznej redukcji. W latach 70 –tych uruchomiona została za to sieć pomiarowa zwierciadeł wód (początkowo wgłębnych) PGI. Na początku lat 90 –tych w związku z uruchomieniem Krajowego Monitoringu Środowiska dobudowano na tych punktach płytkie otwory pozwalające na pomiar wody gruntowej. Teraz więc pomiary prowadzą PGI i w ograniczonym stopniu IMGW.
Punktami obserwacyjnymi położenia zwierciadła wody mogą być studnie, otwory wiertnicze i źródła (naturalny skoncentrowany wypływ wody podziemnej). Pomiary można dokonywać za pomocą różnych urządzeń, przy czym najpowszechniejszym przyrządem jest gwizdek hydrogeologiczny. Jest to kawałek rurki zawieszony na taśmie mierniczej. Gdy gwizdek dociera do zwierciadła, woda wchodzi do rurki, wypycha powietrze, które przechodzi przez gwizdek i słyszymy charakterystyczny gwizd. Pomiar zwierciadła należy wykonać z dokładnością 1 cm. Gwizdkiem jest trudno to zrobić, zwłaszcza w głębszym otworze. Musimy wtedy dysponować świstawką ze specjalnymi nacięciami. Wyciągamy wtedy świstawkę i patrzymy, w których nacięciach jest zmoczona woda.
W płytkich otworach można użyć świstawkę jako tzw. kłapaczkę. Wtedy nie ma gwizdu ale jest charakterystyczne kłapanie. To daje szanse na pomiar z dokładnością do 1 cm. Trzeba to jednak wyćwiczyć. Za pomocą zwykłej świstawki można wykorzystać działanie kłapaczki.
To i tak jest już historia, ponieważ powszechnie wchodzą w użycie metody, gdzie pomiar dokonuje się elektrycznymi sondami. Na końcu sondy mamy obwód elektryczny i woda spina obwód powodując to, że na powierzchni woda wywołuje przepływ prądu. Wtedy dokładność jest większa. Ale oczywiście każdy hydrogeolog musi umieć posługiwać się świstawką. Dokładność rzędu 10 cm jest zbyt niska, bo bardzo często różnice w położeniu zwierciadła są niewielkie i nie wystarczają do wykreślenia mapy hydroizohips.
Są też urządzenia do ciągłego pomiaru poziomu wody w otworach wiertniczych. Najprostszy jest pływak zamontowany w otworze i podłączony do urządzenia samopiszącego. Są też urządzenia działające na zasadzie precyzyjnych pomiarów zmiany ciśnienia nad czujnikiem, który montuje się pod zwierciadłem. Takie urządzenia są zainstalowane w rejonie instytutu. Te urządzenia zapisują pomiary i przesyłają do komputera.
Czasami pomiar nie jest taki prosty, np. w przypadku studni mamy taką sytuację, że do studni zapuszczona jest oczywiście pompa i ta pompa jest na przewodach, które są łączone na tak zwane kołnierze i często jest tak, że ta przestrzeń między rurą nadfiltrową i kołnierzem jest niewielka Zwłaszcza powrót świstawki jest trudny. Poza tym jest szum i trudno usłyszeć świst. W prawidłowo wykonanej studni powinna być rurka do pomiaru zwierciadła wody. Czasami również są specjalny otwory do pomiaru zwierciadła wody w obsypce filtra.
Pomiar musi być odniesiony do poziomu odniesienia. Musimy sprowadzić wszystkie pomiary do poziomu odniesienia, tym poziomem jest poziom morza. Dokonując pomiaru musimy określić rzędną punktu pomiarowego. Taka rzędna powinna być wyznaczona w oparciu o niwelację geodezyjną. Punktem pomiarowym w przypadku otworu hydrogeologicznego jest najczęściej kryza rury wiertniczej. Trzeba wyznaczyć rzędną położenia kryzy. Precyzyjnie musi być to wykonane na podstawie pomiarów geodezyjnych. Jeśli nie mamy pomiarów geodezyjnych, wyznaczamy ją na podstawie mapy topograficznej, najlepiej w skali 1:10 000. Na podstawie obrazu poziomicowego wyznaczamy rzędną.
Hydroizohipsa – linia łącząca punkty zwierciadła wody leżące na tej samej wysokości względem przyjętego poziomu odniesienia. Najczęściej jest to poziom morza.
Żeby wykonać mapę hydroizohips musimy dokonać pomiaru zwierciadła wody. Musimy wykreślić hydroizohipsy stosując metodę interpolacji. Powinny być wykonywane dla tego samego poziomu wodonośnego (czyli wód znajdujących się w łączności hydraulicznej).
By dokonać interpretacji musimy mieć pomiary w co najmniej trzech punktach, najlepiej tworzących trójkąty równoboczne. Dokonujemy potem interpolacji. Zasada jest taka że łączymy punkty pomiędzy otworami i wtedy poprzez punkty wyznaczające nam cięcie między hydroizohipsami (co 25, 50, 100 cm) rysujemy hydroizohipsy.
Mamy przykład mapy hydroizohips wykonanej dla ujęcia wody Krajkowo w Pradolinie Warszawsko – Berlińskiej. Obserwujemy warunki jakie dokonały się w wyniku poboru zwierciadła wody w barierze studni.
Informacje z mapy hydroizohips:
Kierunek ruchu wody podziemnej. Generalnie są prostopadłe do hydroizohips. Przecinają hydroizohipsy pod kątem prostym (w punkcie przecięcia).
Wyznaczanie spadku hydraulicznego. Określamy na kierunku przepływu wody podziemnej. Bierzemy różnicę wysokości np. 2 m, a odległość 500 m czyli spadek to 0,004. Jest to wielkość zmienna. Zmienność spadku pokazuje zagęszczenie hydroizohips. Im mniejsze odległości między nimi tym większe spadki
Obszary zasilania (z których woda płynie) i drenażu (do których woda płynie). Na nasze mapie strefa drenażu to bariery studzienne, a strefa zasilania to wysoczyzny.
Możemy także wyznaczyć wododziały. Linie rozgraniczające poszczególne strumienie wód podziemnych. Wododział rozgranicza wody spływające do różnych stref drenażu.
Zasięg obszaru oddziaływania ujęcia – zasięg leja depresyjnego, Strefa gdzie nastąpiło zdeprecjonowanie naturalnego zwierciadła wody.
Z mapy tej możemy też określić związki wód podziemnych i powierzchniowych. Hydroizohipsy muszą uwzględniać spadek na rzece. Najczęściej rzeka drenuje wody podziemne. Jeżeli dzióbki hydroizohips są przeciwne do kierunku przepływu wody, wody płyną do cieku czyli woda je drenuje.
Jeżeli są zgodne rzeka zasila wody podziemne – jest to tak zwana rzeka infiltrująca. Mówimy tu o sytuacji kiedy jest związek między rzeką i wodami podziemnymi.
Mogą być też prostopadłe hydroizohipsy do rzeki i nie ma ona związku z wodami podziemnymi wtedy bo płyną one równolegle do rzeki.
Oprócz mapy hydroizohips możemy sporządzać także mapy hydroizobat – równych głębokości zwierciadła wody gruntowej. Musimy znać wówczas głębokości. Mapa może być w formie izoliniowej, a częściej w formie obszarów o określonych głębokościach zwierciadła wody. Wydziela się obszary o różnych głębokościach zwierciadła wody.
Mapę hydroizobat możemy również sporządzić na podstawie hydroizohips i rzędnych powierzchni terenu (mapa poziomicowa powierzchni terenu). Odejmując od mapy poziomicowej mapę hydroizohips uzyskujemy mapę hydroizobat. Te mapy w hydrogeologii nie są ważne, ale ważne rolnictwie, budownictwie i leśnictwie. W hydrogeologii ma to znaczenie przy ochronie wód podziemnych i zanieczyszczeniach antropogenicznych. Wynika to z tego, że strefa aeracji odgrywa bardzo istotną rolę w procesie samooczyszczania wód podziemnych, a miąższość jest ważnym parametrem strefy aeracji. Im wyższa miąższość tym mniejsza wrażliwość wód na zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego.
Położenie jest zależne od zasilania opadami. Reakcja na opad jest jednak opóźniona. Wynika to z małej prędkości wsiąkania wody infiltrującej wskutek oporów, jakie stawia środowisko skalne. Zanim więc infiltrująca woda dotrze do strefy saturacji, upływa pewien czas, rzędu kilku dni, tygodni lub miesięcy. Odgrywają w tym główną rolę dwa czynniki: stopień przepuszczalności utworów skalnych, z których złożona jest strefa aeracji i długość drogi infiltracji, a więc miąższość strefy aeracji.
Przepływ może być szybki w warunkach krasowych i szczelinowych, a porowych wolny. W skrajnym wypadku kilka metrów może zająć kilka lat. W warunkach krasowych i szczelinowych może być nawet kilka godzin.
Reakcje zwierciadła są opóźnione. Im głębiej położone jest zwierciadło, tym później reaguje na infiltrację i wykazuje mniejsze wahania. Problem wahań został szczegółowo przeanalizowany przez Rosjan. Amplitudę wahań określali Konoplancew i Siemionow (1979). Oni na podstawie pomiarów wyznaczyli amplitudy wahań zwierciadła wody gruntowej. Amplitudy czyli zakres między najwyższym i najniższym położeniem zwierciadła wody. Stwierdzili oni że wpływ na położenie ma wiele czynników- przede wszystkim stan wilgotności molekularnej, Jeżeli gleba jest przesuszona to wpływ jest opóźniony. Cieki powierzchniowe łagodzą wahania. Roślinność też ma znaczny wpływ.
Jak widzimy te amplitudy wahań są zróżnicowane w zależności od głębokości występowania zwierciadła wody gruntowej. Pokazany są maksymalne, średnie i minimalne z wielolecia. Maksymalne są do dwóch metrów. Im głębiej tym są mniejsze. Największe są na głębokości 1 – 1,5 m.
Wahania zwierciadła wody mogą być zróżnicowane, ale obserwuje się pewne prawidłowości związane z rytmem zasilania infiltracyjnego, nawiązują więc do warunków klimatycznych w danym rejonie. Mamy różne typy wahań zwierciadła wody w różnych warunkach klimatycznych.
Na półkuli północnej w strefie klimatu umiarkowanego najwyższe stany notuje się w styczniu, lutym, najniższe w pełni lata, przy klimacie oceanicznym. Okres zimy to wysokie stany bo jest niskie parowania.
W klimacie kontynentalnym najwyższe w marciu najniższe około października, listopada. Uwidacznia się tu problem zamarzania, w wyniku zamarzania następuje bowiem odcięcie infiltracji i uwidacznia się ona dopiero w trakcie roztopów.
W Polsce mamy klimat przejściowy. Przedstawiono wahania linią przerywaną typ oceaniczny, a najniższe w okresie lata lipiec sierpień. W typie kontynentalnym najwyższe marzec, kwiecień, maj. Najniższe październik listopad. W Polsce klimat przejściowy, mamy obszary kontynentalne i oceaniczne. Zachodnia część Polski wpływy głównie oceaniczne a wschodnia kontynentalne.
Oczywiście w innych warunkach klimatycznych wahania mają inny charakter. W górach maksymalne stany wód dopiero w lipcu, bo płaty śniegu można jeszcze wtedy znaleźć, zasilanie infiltracyjne w maju, czerwcu. Minimalne są na końcu zimy, co wynika z dłuższego okresu zimowego i przemarzania gruntu. W krajach tropikalnych wahania nawiązują do pór deszczowych i suchych.
Wahania w Polsce przeanalizowała Bobrowska. Wahania są powiązane ze stanami wód powierzchniowych i zakres wahań jest od 1 do 4 m. Regularne wahania o cyklu rocznym wiosną związane są z wezbraniami. W okresach jesiennych te stany są najniższe. Wyznaczyła ona częstotliwość rocznych amplitud na podstawie 1300 punktów w Polsce. Ustaliła ona że amplitudy mają wielkość:
0,3 -1,3 m 46%
1,3- 2,5 m 33,7%
2,5 -3,5 m 14,6%
3,6 – 4,6 m 6,1%
Pow. 4,6 m 5%
Te wahania mogą osiągać dość znaczne amplitudy. Nawet w skrajnych przypadkach powyżej 4,6 m, ale najczęściej do 2,5 m stanowiące przeszło 75%.
W Polsce również spotykamy się często z pojęciem stepowienia warunków i pewnych zmian polegających na obniżeniu sumy opadów, infiltracji i zwierciadła wody gruntowej, m. in. w wyniku wylesienia terenu. Jednak dowodów na stałą tendencję nie ma. Według Lambora stany wód nie są niższe niż przed wieloma wiekami, a wylesienie wpłynęło raczej na podwyższenie poziomu wód gruntowych. Natomiast odwadniający charakter nadają lokalnie melioracje.
Trzeba jeszcze dodać, że pomiary zwierciadła wody gruntowej są rzeczywiście bardzo istotne. Mają one aktualnie szczególnie istotne znaczenie, biorąc pod uwagę ochronę środowiska, a w szczególności siedlisk w ramach obszarów Natura 2000. Niektóre z tych siedlisk są szczególnie wrażliwe na obniżanie zwierciadła wody gruntowej. Szczególnie tam gdzie zwierciadło to jest na poziomie mniej niż 2 m głębokości, bo tam wegetują rośliny o korzeniach pobierających te wody.
Także przy eksploatacji ujęć wody powinny mieć badaną amplitudę. Dochodzi do konfliktów. Właściciele wodociągów muszą mieć wtedy dowód czy oni rzeczywiście wpływają na osuszanie studni i stawów. To samo dotyczy górnictwa odkrywkowego, które musi odwadniać wyrobiska. Jest to potrzebne do oceny rzeczywistego wpływu prowadzonych odwodnień. Jest to szczególnie ważne dla środowisk rolniczych.
Jak sama nazwa wskazuje są to wody, które występują już głębiej i nie mają tak bezpośrednich związków z powierzchnią terenu i nie są zasilane w wyniku bezpośredniej infiltracji opadów przez warstwy wodonośne. Są zasilane przez infiltrację ale tylko pośrednio. Ma to określone konsekwencje. Wykazują one wolniejsze tempo krążenia i wymiany wód, słabsze reakcje na zmiany klimatyczne i inne czynniki powierzchniowe. Charakteryzują się większą odpornością na zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego. Mają większą stałość własności fizycznych i chemicznych oraz składu chemicznego. Jednak jeśli już dojdzie do zanieczyszczenia tych wód to na znacznie dłużej, gdyż samooczyszczanie jest powolne.
Wody wgłębne zasilane są pośrednio. Generalnie rzecz biorąc to takie wody, które występują w warstwie wodonośnej przykrytej od powierzchnie terenu warstwą niewodonośną. Mogą być jednak zasilane na wychodniach warstwy. Infiltracja nie występuje natomiast nad warstwą wód wgłębnych.
Wody mogę być też zasilane w różny sposób pośrednio, np. w sytuacji gdy mamy jakąś górną warstwę wód gruntowych, następnie utwory niewodonośne i jakąś płaszczyznę uskoku. Przez tę płaszczyznę mogą wnikać wody gruntowe do wgłębnych. Inna możliwość to kontakt bezpośredni warstwy wodonośnej z warstwą wód gruntowych.
W utworach czwartorzędu często mamy zasilanie pośrednie wód wgłębnych przez tzw. okna hydrogeologiczne. Wyróżniamy okno erozyjne i sedymentacyjne. Erozyjne gdy warstwa nieprzepuszczalna nad warstwą wodonośną została erozyjnie usunięta. Okno sedymentacyjne, gdy w iłach występują utwory piaszczyste, i poprzez tę strefę następuje ułatwione zasilanie warstwy wód wgłębnych. Wtedy mamy okno hydrogeologiczne sedymentacyjne.
Zasilanie wód wgłębnych niezależnie od okien hydrogeologicznych może również następować przez przesiąkania utworów niewodonośnych ale o sporej przepuszczalności. Na dużych obszarach takie przesiąkanie2 ma duże znaczenie. Taką przepuszczalność mogą wykazywać mułki czy gliny. Jeśli ciśnienia w tej warstwie wód wgłębnych są niższe niż w strefie wód gruntowych, może nastąpić przesiąkanie.
Zasilanie niecki mazowieckiej jest na wychodniach aż 95 km od Warszawy. Wtedy, gdy zostały wykonane pierwsze modele matematyczne okazało się, że nie da się przyjmować zasilania tylko przez wychodnie, ale że istotnym elementem jest przesiąkanie.
Jeżeli mamy gliny o m=20 i k= 10-3 m/d. Jeżeli Δ h. = 5 m następuje przesiąkanie w wysokości 250 m3/dobę/km2. Przesiąkanie ma zatem istotne znaczenie w zasilaniu wód wgłębnych.
Z wodami wgłębnymi związane jest pojęcie wód artezyjskich. Zanim dojdziemy do tego zapoznamy się z podstawowymi pojęciami określającymi przede wszystkim zwierciadło napięte i zwierciadło piezometryczne i pojęcie ciśnień piezometrycznych. Trzeba zrozumieć o co tu chodzi i jest to trudniejsze niż zwierciadło wód gruntowych.
Mamy rysunek, warstwa jest skośna, gdy się dowiercimy woda zacznie się podnosić i ustabilizuje się na pewnym poziomie. Mówimy, że w takich warunkach występują wody naporowe. W takim przypadku rozróżniamy następujące pojęcia: zwierciadło napięte – występuje wzdłuż stropu warstwy wodonośnej wód wgłębnych. Po nawierceniu podniesie się do pewnej wysokości – ta wysokość to ciśnienie piezometryczne. Natomiast zwierciadło wody ustabilizowane w otworze nazywamy zwierciadłem piezometrycznym.. Zwierciadło piezometryczne nie istnieje fizycznie bez otworu. Jest to tylko linia ciśnień, która odzwierciedla ciśnienia na stropie warstwy wodonośnej wód wgłębnych.
Jeżeli mówimy o ciśnieniach powinniśmy mieć ciśnienie porównawcze. Zaznaczamy sobie trzy otwory. Na zwierciadle wody gruntowej mamy ciśnienie atmosferyczne. Na ciśnienie w punkcie po lewej składają się dwa elementy – wysokość położenia nad poziom odniesienia i tak zwana wysokość ciśnienia z1 przy czym ciśnienie w tym punkcie równa się
p = p0 + z1γ
Gamma to gęstość wody.
Ciśnienie wyrażano kiedyś w atmosferach, teraz w Pascalach. Atmosfera to 1000 hPa. Można też wyrażać w wysokości słupa wody słodkiej. Ciśnienie atmosferyczne to 10 m słupa wody. Także 760 mm słupa rtęci.
Podobnie jak w przypadku zwierciadła wody gruntowej wykonujemy mapy hydroizohips tak dla wgłębnych mamy mapę hydroizopiez. W zasadzie w hydrogeologii wody gruntowe bardzo często przechodzą we wgłębne w czwartorzędzie i przyjęło się że często rysujemy dla obu mapę hydroizohips. Hydroizopiezy wychodzą z mody.